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Risque associé au retrait gonflement des sols argileux et marneux.
Expérimentation combinant essais mécaniques et approche microstructurale
Myriam Duc, Aurélie Maloula, Lamis Makki
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, ParisDivision mécanique des sols et des roches
et géologie de l’ingénieur.
2
Teneur en eau
Volume
max
min
w r wP wL wmax
Les pays humides s’intéressent au retrait
(peu étudié) responsable des pathologies
initialretrait
gonflement
La France sinistrée…
Le cas des pays tempéré : la France
Moins d’eauRetrait
Etat initial
Plus d’eauGonflement
Les sols argileux réagissent aux changements de leur teneur en eau
3
(1) Evapo-transpiration(2) Evaporation(3) Absorption by roots(4) Clay layer(5) Clay sheet(6) Interstitial water
Source Site web du BRGM
Pathologies
Project MISS in LCPC
Sécheresses >> pathologies coûteuses (depuis 1989 > 4,5 M d’euros).
Pas de règles de construction obligatoires en France pour les bâtiments.
4
D’autres paramètres jouent un rôle !!
Sécheresses >> catastrophes naturelles critères CATNAT : rapport météo et présence d’argiles ‘sensibles’
Pour comprendre le comportement des constructions ….comprendre le comportement du sol.
densité du sol nombre de cycles d’humidification-séchage
Teneur en carbonates
Déterminer l’amplitude de déformation du sol pour adapter les fondations des maisons individuelles
Caractériser la sensibilité du sol au retrait gonfl ementOpération de recherche LCPC 11M065 et Projet ANR ARGIC
Thèse de L. Makki (2009)
5
Courbe de retrait d’après Cornelis et al. (2006)
Caractériser la sensibilité du sol :obtenir des courbes de retrait pour connaître la déformation
du sol en fonction des variations hydriques
Point d’entrée d’air
e = Vvides/Vsolide
6(fiche technique à la disposition des laboratoires intéressés)
Makki et al.. (2008) SEC 2008, Presses du LCPC, pp. 257-264
Un essai de retrait libre volumique automatisé
7
Argile verte de RomainvilleMarne de PantinMarne bleue d’ArgenteuilGypse
Sols choisis pour comparer argiles et marnesCarrière de Villeparisis (Seine et Marne)
* Semi-quantification de la fraction argileuse
MinéralogieAV 2007
Argile < 2µm 78%
Quartz
Kaolinite 5%
Illite 60%
Montmo. 35%
Feldspath trace
3,1% CaCO3
MB 2007Argile < 2µm
81%
Quartz
Kaolinite 10%
Illite 50%
Montmo.40%
Dolomite Calcite
34,4% CaCO3G
onfle
men
t
Phase majoritaire
8
Influence des carbonates sur le retrait des sols (Déformations)
Eprouvettes intactes
Les carbonates seraient responsables du blocage de la déformation et de la
forme de la courbe ?
PEAPEA
PEA
PEA
wRwR
11%30%0,84Marne bleue
17,3%
εεεεvol
27%
w
0,77Argile verte
eo
εεεεvol déformation volumique
Marne bleue : plus lâche et plus humide >> moins déformable !!
9
Influence des carbonates sur le retrait des sols
Les carbonates seraient responsables du blocage de la déformation et de la forme de la courbe ?
o Décarbonatation de la marne bleue (enlever les carbonates)
o Carbonatation de l’argile verte (ajouter des carbonates)
Duc M., Makki L., Maloula A., Magnan J-P. (2009), ‘XIV International Clay Conference’, Castellaneta Marina, 14-20 juin 2009, Italie
10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25 30 35
Water content w(%)V
olum
e de
form
atio
n (%
)
Undisturbed
Disturbed W
Décarbonatation de la marne bleue (Déformations)
Décarbonatation
Forme de la courbe de retrait 3 parties >> 2 parties
La déformation volumique diminue après la décarbona tation par rapport au sol remanié W εεεεvol remanié W > εεεεvol décarbonaté (?)
Remaniement:
remaniement du sol sous forme de boue :
sol compacté et humidifié pour retrouver l’état initial du sol intact
Le remaniement modifie la structure du sol (les déformations augmentent)
0
2
4
6
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10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25 30 35
Water content w(%)V
olum
e de
form
atio
n (%
)
Disturbed green clay W
Disturbed D
11
Carbonatation de l’argile verte(Déformations)
Carbonatation
Forme de la courbe de retrait 2 parties >> 3 parties
La déformation volumique diminue après la carbonata tion par rapport au sol remanié W εεεεvol remanié W > εεεεvol décarbonaté
0
2
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14
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0 5 10 15 20 25 30 35
Water content w(%)V
olum
e de
form
atio
n (%
)
Disturbed W
Undisturbed
Remaniement:
remaniement du sol sous forme de boue :
sol compacté et humidifié pour retrouver l’état initial du sol intact
Le remaniement modifie la structure du sol (les déformations diminuent)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
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20
0 5 10 15 20 25 30 35
Water content w(%)V
olum
e de
form
atio
n (%
)
Disturbed RC
Disturbed Blue marl W
12Une action spécifique des carbonates sur la forme de la courbe de retrait...
Essais de retrait avec argile verte remaniée W + gy pse ou chaux ou billes de verre ou alumine...
WR argile verte
remaniée W = 16%
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Porosimétrie mercure et microscopie électronique à balayage environnemental
Pour comprendre les changements de structure lors du retrait en relation avec le comportement mécanique du sol
ESEM quanta 400 de
chez FEI
Poromercure Micromeritics IV (Ecole Centrale
Paris)
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Eprouvettes intactesEprouvettes intactes : argile verte et marne bleue après le retrait
Influence des carbonates sur le retrait des sols (microstructure)
Argile verte Marne bleue
200 µm 200 µm
<6nm
20 µm
carbonates ( ∼∼∼∼ µm)
Pores associés aux carbonates ?
20 µm
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Décarbonatation / carbonatation(microstructure)
500 µm
Sol décarbonaté
50 µm
Porosité associée aux carbonates
200 µm
Sol carbonaté
10 µm
carbonates ( ∼∼∼∼ µm)
marne bleue
argile verte
16
Conclusions
Attention : cycles de séchage-humidification >> déstructuration et mouvement des particules : les marnes tassent ou gonflent progressivement parfois plus que les argiles. Le gonflement ou le retrait dans les sols argileux s’exprime dès le premier cycle.
sol dense >> pas de retraitsol lâche >> pas de gonflement
>> densité (ou e) dans les classifications de sols
Comportement de retrait gonflement du sol :
amplitude de déformation
nature de l’argile
présence de carbonates
Structure du sol héritée de son histoire géologiqueet donc du remaniement du sol
Les carbonates bloquent les déformations dans les sols marneux>> teneur en carbonate dans les classifications de sol
Apport de l’ESEM et de la porosimétrie : vers un modèle physique du sol
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Temp.: 31 °C
Temp.: 601 °CTemp.: 592 °CTemp.: 581 °CTemp.: 570 °CTemp.: 559 °C
Temp.: 548 °CTemp.: 536 °CTemp.: 525 °CTemp.: 514 °CTemp.: 503 °C
Temp.: 501 °CTemp.: 400 °CTemp.: 300 °CTemp.: 199 °CTemp.: 99 °C
Lin
(Cou
nts)
0
1000
2000
3000
4000
5000
2-Theta - Scale
10.5 11 12 13
Amorphisation de la kaolonite (transformation en métakaolin à T°C croissante)
Humidity: 89.5 %Humidity: 84.6 %Humidity: 79.5 %Humidity: 74.5 %Humidity: 69.5 %
Humidity: 64.4 %Humidity: 59. %Humidity: 54.1 %Humidity: 49.4 %Humidity: 44.5 %Humidity: 39.7 %
Humidity: 34.6 %Humidity: 29.2 %Humidity: 24.5 %Humidity: 19.7 %Humidity: 14.4 %Humidity: 9.6 %
Lin
(Cou
nts)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2-Theta - Scale
3.4 4 5 6 7 8 9 Gonflement de la bentonite à 30°C de 9% à 90% Hr
Nouvel équipement de diffraction de rayons X au LCPC Paris (division MSRGI)
Chambres environnementales : changement de phases en température (jusqu ’à 1200°C) et au cours d’une
humidification/séchage (Hr 95%, 60C)
18
Merci de votre attention
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