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Hétérogénéité naturelle des sols
Les sols constituent l’objet de nombreuses spécialités scientifiques comme la pédologie qui étudie la formation et l’évolution du sol dans le temps aux dépens du matériau d’origine, la sédimentologie pour la géologie des dépôts sédimentaires, ou encore l’agronomie pour la gestion des sols à des fins agricoles. La géotechnique concerne quant à elle l’étude de l’adaptation d’un ouvrage aux sols et roches formant le terrain naturel. Cette spécialité réunit les aspects de mécanique des sols, de mécanique des roches, de géologie, et des techniques de terrassement et de construction.
La définition et la classification des sols dépendent des domaines scientifiques concernés. Par exemple en pédologie, le sol est défini comme « la formation naturelle de surface, à structure meuble et d’épaisseur variable, résultant de la transformation de la roche mère sous-jacente sous l’influence de divers processus, physiques, chimiques et biologiques, au contact de l’atmosphère et des êtres vivants » (Demolon 1938). Les sols sont caractérisés suivant des horizons c’est-à-dire des couches distinctes dépendant de la quantité de matière organique et de leur intensité d’altération. En géotechnique, le sol est défini comme « un agglomérat naturel constitué de particules solides séparables par trituration sous eau, et de fluides interstitiels » (définition d’après la norme NF XP 94- 010). Ces particules solides peuvent résulter de la désagrégation de roches par altération mécanique ou chimique sous l’effet d’agents naturels, de la décomposition d’organismes vivants (végétaux ou animaux), ou encore d’une activité industrielle. Les sols sont dans ce cas principalement caractérisés par leur granulométrie qui varie d’éléments grossiers à des éléments fins . Parmi les éléments fins nous pouvons citer les limons, de granulométrie comprise entre 63 µm et 2 µm, et les argiles, de granulométrie inférieure à 2 µm.
Les argiles peuvent être définies suivant la définition élargie, ne mentionnant plus de taille de particules limite, comme « un matériau d’origine naturelle composé principalement de minéraux sous forme de grains fins, généralement plastique pour une composition appropriée d’eau et qui devient dur quand il est séché ou cuit. Bien que les argiles contiennent essentiellement des phyllosilicates, elles peuvent contenir d’autres minéraux qui participent à la plasticité et à la dureté quand elles sont séchées ou cuites. Des phases accessoires incluant des minéraux ne participant pas à la plasticité ou encore de la matières organiques peuvent également être présentes » (Guggenheim et al. 2006).
Dans le large éventail d’origines des particules d’un sol, nous allons nous focaliser sur les sols dont les minéraux résultent de l’altération des roches. Tout d’abord trois types de roches sont à distinguer : les roches magmatiques résultant de l’évolution d’un magma, les roches métamorphiques résultant de la transformation de roches ou de sols en place par élévation de la température et / ou de la pression et les roches sédimentaires résultant du dépôt puis de la diagénèse de sédiments.
Le constituant majeur de toutes ces roches est l’oxygène qui associé à du silicium forme des silicates représentant plus de 92% de l’écorce terrestre. La formation des différentes familles de silicates, toutes basées sur des tétraèdres SiO4, est dépendante de la température et de la richesse en silicium du milieu. La suite de Bowen explicite cet ordre de formation des minéraux dans les chambres magmatiques (Bowen 1922). Les systèmes dont le rapport silicium sur oxygène sera faible tendront à la formation de structure 1D telle que les nesosilicates. Plus la quantité en silicium augmentera plus les tétraèdres de silicium se concaténeront conduisant à des structures 2D et 3D favorisant le partage d’oxygène. Ces structures présentant une cohésion plus forte résisteront mieux aux phénomènes d’altération dont nous allons discuter dans la suite. Les minéraux basés sur la structure tectosilicate regroupant le quartz (SiO2) et ses polymorphes, les feldspaths et plagioclases, représentent la plus grande part des minéraux rencontrés dans l’écorce terrestre. Les feldspaths et plagioclases intègrent dans leur structure de l’aluminium par substitution au silicium, le déficit de charge qui en résulte étant compensé par la présence de cations alcalins ou alcalino-terreux (exemple de l’orthoclase KAlSi3O8).
En complément de ces silicates, il faut également noter la présence au sein des sols de matières organiques et de carbonates, ainsi que plus accessoirement de sulfates, de phosphates, de sulfures, d’halogénures, d’oxydes ou encore d’hydroxydes.
L’altération des roches, conduisant à la formation de sédiments ou à la formation de sols, peut être soit d’origine physique par fragmentation, soit d’origine chimique par hydrolyse (ou acidolyse, salinolyse et alcalinolyse dépendant du pH et de la concentration en sel). L’intensité de l’hydrolyse est conditionnée par plusieurs facteurs tels que le climat, la cinétique de dissolution des minéraux, la topographie, le type de roche ou encore par la présence d’organismes et de matières organiques. Elle peut être incomplète avec la dégradation partielle de chaines silicatées complexes conduisant à la formation de minéraux de structures plus simples dits « hérités », ou bien complète avec la dissolution totale des éléments conduisant à la formation d’un nouveau milieu de genèse de minéraux. Dans le second cas, la silice soluble s’associe à l’alumine insoluble, ou peu soluble à des pH supérieurs à 5, pour former un gel mixte, d’autant plus riche en silice que le pH est élevé. Ce gel peut évoluer soit vers des minéraux de type allophane lorsqu’une grande quantité de matière organique freine la cristallisation, soit vers des argiles néoformées par monosiallitisation (TO) ou bisiallitisation (TOT) (présentation ci-dessous de ces structures) suivant les conditions climatiques et de pH. Les minéraux rencontrés en fin de chaîne d’altération sont principalement des minéraux argileux, des évaporites (NaCl, CaSO4, MgSO4…), ou encore des carbonates (Duchaufour 2001 ; Galan 2006 ; Pédro 1994).
La famille des minéraux de type phyllosilicates se divise en deux sous-familles : les minéraux argileux, résultant des altérations décrites ci-dessus, et les micas, résultant de roches éruptives et métamorphiques. Leurs structures sont formées par l’empilement de couches tétraédriques et de couches octaédriques. La couche dite tétraédrique est basée sur des tétraèdres de SiO4 (un atome de silicium entouré de quatre atomes d’oxygène) dans lesquels un atome d’oxygène est propre au tétraèdre et trois atomes sont communs à deux tétraèdres (organisation du feuillet silicaté du mica présenté sur la figure 2). La formule unitaire d’une couche de tétraèdre de silicium est ainsi [Si2O5]-2 . Cette couche tétraédrique peut être associée soit à une couche octaédrique par alternance formant des feuillets de type TO liés entre eux par de fortes liaisons hydrogène, soit de façon à enserrer une couche octaédrique entre deux couches tétraédriques, formant des feuillets du type TOT liés ou non entre eux par des cations. Ces différents types d’empilement sont décrits plus en détails ci-dessous à partir de l’équilibre des charges des structures, avec la description détaillée des couches octaédriques.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Caractérisation des matériaux d’un point de vue géologique, géotechnique et minéralogique
1 Hétérogénéité naturelle des sols
2 Identification des matériaux
2.1. Les altérites
2.1.1. Caractérisation géologique des altérites
2.1.2. Caractérisation géotechnique des altérites
2.1.3. Caractérisation minéralogique des altérites
2.2. Les matériaux modèles
2.2.1. Caractérisation géotechnique des matériaux modèles
2.2.2. Caractérisation minéralogique des matériaux modèles
3 Protocole de traitement des sols
3.1. Les agents de traitement
3.2. Protocole de préparation des matériaux pour les essais macroscopiques
4 Aptitude au traitement des altérites
4.1. Présentation du test d’aptitude au traitement
4.2. Synthèse de rapports d’expertise des essais d’aptitudes
5 Conclusion
Chapitre II Sensibilité des sols à l’eau
1 Sensibilité des sols à l’eau : état des connaissances
2 Evaluation de la sensibilité à l’eau des matériaux
2.1. Méthodologie d’évaluation de la sensibilité à l’eau
2.2. Comportement des altérites lors de leur saturation
2.3. Comportement des matériaux modèles lors de leur saturation
3 Discussion sur l’origine de la sensibilité à l’eau des matériaux
3.1. Identification de phases accessoires solides
3.2. Identification de phases accessoires dissoutes
3.3. Gonflement intra-particulaire
3.4. Gonflement inter-agrégats et inter-particulaire
3.5. Influence de la minéralogie des matériaux sur leur sensibilité à l’eau
4 Interactions entre minéraux
4.1. Interactions entre particules : état des connaissances
4.1.1. Interactions particules-solvant
4.1.2. Interactions particules-particules
4.2. Evaluation des interactions entre minéraux
4.2.1. Réactivité des minéraux en solution
4.2.2. Evaluation de la stabilité des suspensions
5 Relation entre les propriétés de surface des matériaux et leur sensibilité à l’eau
6 Conclusion
Chapitre III Traitement des matériaux
Partie A Cohésion des matériaux
1 Cohésion des matériaux : Etat des connaissances
1.1. Cohésion « chimique » entre particules
1.2. Cohésion « physique » entre particules
2 Evaluation de la cohésion des matériaux
2.1. Méthodologie d’évaluation de la cohésion des matériaux
2.2. Comportement des matériaux naturels
2.3. Comportement des matériaux traités
2.3.1. Evaluation de la cohésion des matériaux traités au sel
2.3.2. Evaluation de la cohésion des matériaux traités à la chaux vive
3 Conclusion
Partie B Réactivité des matériaux à court terme
1 Evaluation de la stabilité des suspensions traitées
1.1. Caractérisation des modifications de surface de la kaolinite Polwhite
1.1.1. Réactivité de la kaolinite Polwhite avec les solutions salines
1.1.2. Réactivité de la kaolinite Polwhite avec les solutions d’hydroxydes
1.2. Caractérisation des modifications de surface du matériau MU247
1.3. Caractérisation des modifications de surface de l’altérite Vigneux marron
2 Effet du gain de cohésion sur la sensibilité à l’eau
2.1. Evaluation de la sensibilité à l’eau suite à un traitement à la chaux
2.1.1. Effet du traitement en fonction de la minéralogie des matériaux
2.1.2. Effet du traitement en fonction de la teneur en chaux
2.2. Evaluation de la sensibilité à l’eau suite à un traitement aux sels de chlorures et aux hydroxydes de sodium et de potassium
3 Conclusion
Partie C Réactivité des matériaux traités à long terme
1 Caractérisation minéralogique des matériaux traités
1.1. Présentation des différentes phases cimentaires rencontrées dans les sols traités à la chaux
1.2. Caractérisation minéralogique des matériaux traités
1.2.1. Caractérisation du matériau MU247
1.2.2. Caractérisation de la kaolinite Polwhite
1.2.3. Caractérisation des altérites traitées à la chaux
2 Comportement mécanique des sols traités
2.1. Comportement mécanique de sols traités à la chaux : Etat des connaissances
2.2. Evaluation des modifications macroscopiques des sols traités
2.2.1. Evaluation des modifications microstructurales des matériaux traités
2.3. Evaluation des performances mécaniques des sols traités
2.3.1. Mise en œuvre de l’essai de résistance à la compression simple
2.3.2. Mesure de la résistance à la compression des sols traités
3 Conclusion
Chapitre IV La réactivité des altérites lors des traitements
Conclusion générale
