Medjnoun Amal PDF

RPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

Universit de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou

Facult de Gnie de Construction

Dpartement de Gnie Civil

Laboratoire de Gomatriaux, Environnement et Amnagement

(LGEA)

THSE DE DOCTORAT

Spcialit : Gnie Civil Option : Gotechnique

THEME

Analyse, caractrisation, prvision et modlisation du

comportement des argiles gonflantes.

Prsente par :

MEDJNOUN Amal

Devant le jury compos de Messieurs :

AIT TAHAR Kamal Professeur, UMMTO Prsident

BAHAR Ramdane Professeur, USTHB Rapporteur

BELKACEMI Smain Professeur, ENP Examinateur

GABI Smail Professeur, UMMTO Examinateur

MELBOUCI Bachir Professeur, UMMTO Examinateur

Soutenue publiquement le : 24/06/2014

Rsum

Dans ce travail de thse, de nouveaux sites algriens ont fait lobjet dtude et

danalyse. Cette tude comporte essentiellement : dabord, une caractrisation gologique,

climatologique, minralogique de plusieurs sites suspects gonflants dans le nord-centre

algrien, puis, une tude estimative du potentiel de gonflement des diffrents sites, suivie par

une analyse de la cintique de gonflement, leffet de trois procdures dessais sur le potentiel

de gonflement ainsi que linfluence des paramtres dtats. Enfin, ltude du comportement

des argiles gonflantes intactes sous leffet des sollicitations cycliques mcaniques et

saisonnires, en adaptant deux modes de saturation ; par capillarit et par infiltration. Des

observations au MEB sont aussi effectues sur des chantillons ayant subi un cycle de retrait-

gonflement. Ltude se base sur une banque de donnes gotechnique importantes comportant

des essais didentification et des essais de gonflement raliss loedomtre.

Les rsultats de la caractrisation gologique, climatologique, minralogique annoncent la

prsence du risque de gonflement des argiles tudies, ce dernier est confirm par la suite par

ltude estimative et gotechnique de potentiel de gonflement dans les diffrents sites.

Lanalyse du comportement mis en vidence la prsence de la succion au moment de la

mise en contacte du sol avec leau, dune part, et la dpendance du potentiel de gonfleme nt

des contraintes intrieures et extrieures, dautre part. Une criture simplifie des modles

empirique estimative du potentiel de gonflement est rsult de cette analyse.

Le sol se comporte diffremment selon le mode de saturation et il subit des modifications

importantes sous leffet des diffrentes sollicitations dans le but datteindre une nouvelle

stabilit.

Mot cl : Sols gonflants, cintique de gonflement, macro et microstructure, sollicitations

cycliques.

Abstract

In this thesis, new Algerian sites were the object of study and analysis. This study

involves mainly : First, a characterization of geological, climate, mineralogical of several site

suspected swelling in the north-central of Algeria, then an estimates study of the swelling

potential for the different sites , followed by an analysis of the swelling kinetics, the effect of

three test procedures on the swelling potential and the influence of state parameters on

swelling potential. Finally, the study of the behavior of intact swelling clays under the effect

of cyclical mechanics and seasonal solicitations, with adapting two modes of saturation: by

capillary and by infiltration. SEM observations were also carried out on samples having

undergone a cycle of shrinking-swelling. The study is based on a bank of important

geotechnical data including identification tests and swelling test realized by the oedometer

machine.

The results of the climatological, geological and mineralogical characterization, announces

the presence of the risk of swelling clays studied, it is subsequently confirmed by the

estimated and the geotechnical's study of swelling potential in the different sites.

The behavior analysis revealed the presence of the suction at the instant of contact between

soil and water, and the dependence of the swelling potential of the internal and external stress,

secondly. A simplified writing of empirical models, of the estimated swelling potential, is

resulting of on this analysis.

Soil behaves differently depending on the mode of saturation and undergone significant

changes as a result of various stresses in order to obtain a new stability.

Keyword: expansive soil, swelling kinetics , macro and microstructure, cyclic solicitation.

Remerciements

Le travail prsent dans cette thse a t ralis au Laboratoire de Gomatriaux, Environnement et

Amnagement (LGEA) de lUniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou.

En premier lieu, je tiens exprimer ma profonde gratitude et sincres remerciements mon

directeur de thse le Professeur BAHAR Ramdane qui ma offert cette prcieuse chance de travailler avec

lui et de bnficier de ses inestimables connaissances dans le domaine de la recherche et de

lexprimentale. Je le remercie aussi pour sa confiance, sa patience, ces encouragements et pour tous les

moyens qui il a mis ma disposition tout le long de ce travail.

Je tiens exprimer toute ma gratitude au Professeur MELBOUCI Bachir pour mavoir fait part de ses

pertinents conseils et remarques qui ont guid ma recherche et je le remercie encore pour avoir eu

lamabilit daccepter de faire partie du jury qui examinera mon modeste travail.

Mes sincres remerciements vont vers les membres du jury de ma soutenance de thse :

- Monsieur AIT TAHAR Kamal, Professeur lUniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, de

mavoir fait lhonneur de prsider mon jury de thse de doctorat.

- Monsieur GABI Smail, Professeur lUniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, qui a accept

dexaminer ce modeste travail.

- Monsieur BELKACEMI Smain, Professeur de lcole Nationale Polytechnique dAlger, qui a accept

dexaminer ma thse de doctorat. Je le remercie galement pour ses conseils et ses orientations.

Permettez-moi de ddier ce modeste travail la mmoire dun grand Monsieur que nous avons accueilli

pour une formation sur le matriels de laboratoire et qui a marqu nos esprits par sa disponibilit, ses

qualits rares et son amour pour lAlgrie, HANKOUR Rachid que Dieu accueille son me dans son

vaste Paradis.

Je tiens remercier tous les membres du Laboratoire de Gomatriaux, Environnement et

Amnagement (LGEA) pour leurs aides et encouragements ainsi que pour leurs remarquables qualits

humaines et sociales que jai apprci pendant ces annes de recherche. Je remercie galement lingnieur

du laboratoire LACHEBI Kamel pour son aide et sa patience ainsi que Monsieur Boukharoub technicien

au laboratoire de MDS pour ses encouragements. Je tiens remercier particulirement mes amis pour

leurs encouragements et leurs soutiens.

Je remercie le directeur du laboratoire CTELab Monsieur BENRADHOUANE Mustapha pour tous les

chantillons quil a mis ma disposition ainsi que leur ingnieur Khiatine Mohamed pour son aide

prcieuse. Je remercie galement Lquipe de CETIM de Boumerds pour la ralisation des essais

minralogiques, le personnel de loffice national de mtorologie dAlger pour mavoir envoy les bilans

climatiques des sites tudis ainsi que lquipe du laboratoire de Microscopie lectronique Balayage de

lUMMTO pour la ralisation des essais au MEB prsents dans cette thse.

Pour finir, je tiens exprimer ma profonde gratitude toutes les personnes qui ont contribu la

ralisation de cette thse dans de bonnes conditions, en loccurrence, mes parents et les membres de ma

famille qui ont mis ma disposition tous les moyens matriels et financiers ncessaires. Je remercie

particulirement et profondment mon mari pour sa patience, ces encouragements et son soutient au

cours de cette thse, sans oublier ma belle famille.

Table de matire

Liste des figures VII

Liste des tableaux XIV

Liste des symboles XVII

INTRODUCTION GNRALE 1

PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE

CHAPITRE I : GENERALITE SUR DES ARGILES

I.1. INTRODUCTION 6

I.2. ORIGINE ET DEFINITION DES ARGILES 6

I.2.1. La roche mre 6

I.2. 2. La topographie 6

I.2. 3. Le climat 7

I.3. STRUCTURE ET MINERALOGIE DES ARGILES 8

I.3. 1. Les minraux 1/1 9

I.3.2. Les minraux 2/1 10

I.4 LES PRINCIPALES FAMILLES DES ARGILES 11

I.4.1. Les Kaolinites 11

I.4.2. Les illites 12

I.4.3. Les Smectites 13

I.5. TEXTURE DES ARGILES 15

I.6. LEAU ET LES MINERAUX ARGILEUX 16

I.6.1. La forme de l'eau 16

I.6.1.1. Eau lie 16

I.6. 1. 2. Eau libre 17

I.6.2. Principales type dhydratation 17

I.6.2.1. Hydratation par succion capillaire 17

I.6.2.2. Succion dadsorption 19

I.6.2.3. Succion osmotique 20

I.6.2.4. Transformations chimiques 20

I.6.3. Les forces physico-chimiques entre particules 20

I.6.3.1. Les forces attractives 20

I.6.3.2. Les forces rpulsives 21

I.6.3. Interactions entre les feuillets en milieu aqueux 22

I.7. CINETIQUE DE GONFLEMENT 24

I.7.1. le gonflement interparticulaire 25

I.7.2. le gonflement intraparticulaire 25

I.8. MECANISME DE GONFLEMENT 26

I.8.1. Au sens physico-chimique 26

I.8.2. Au sens mcanique 26

I.9. LES PARAMETRE INFLUANT SUR LE GONFLEMENT 26

I.9.1. Ltat initial du sol 27

I.9.1.1. La teneur en eau initiale 27

I.9.1.2. la densit sche 29

I.9.2. La minralogie 31

I.9.3. Les cycles dhumidification schage 31

I.9.4. La temprature 32

I.10. CONCLUSION 32

CHAPITRE II : METHODE DESTIMATION DE POTENTIEL DE

GONFLEMENT

II.1. INTRODUCTION 34

II.2. METHODES EMPIRIQUES 34

II.2.1. Mthode de Seed et Al (1962) 35

II.2.2. Mthode de Chen (1988) 36

II.2.3. Mthode de Vijayvergiya et Ghazzaly, 1973 37

II.2.4. Mthode de Williams et Donaldson 37

II.2.5. Mthode de Dakshanamurthy et Raman, 1973 38

II.2.6 Mthode dAltmeyer, 1955 39

II.2.7. Mthode de Ranganatham et Satyanarayana, 1965 39

II.2.8. Modle de Low, 1980 44

II.2.9 Les ajustements de certaines mthodes 44

II.3. ESTIMATION DIRECTE DES PARAMETRES DE GONFLEMENT DES SOLS 46

II.3.1 Mthodes d'essai oedomtrique 46

II.3.2. Essais oedomtrique pression impose 47

II.3.2.1. Essai de gonflement libre (ASTM D4546-95) 47

II.3.3. Essai de gonflement volume constant (mthode directe) 49

II.3.3.1. Mthode de Fredlund (1983) 49

II.3.4. Mthode de gonflement volume constant et charge constante de

mme principe 55

II.3.5. Comparaison entre les diffrentes procdures dessai 57

II.4. CONCLUSION 58

PARTIE EXPRIMENTALE

CHAPITRE III : TUDE ET CARACTRISATION DE CERTAINS SOLS

ALGRIENS

59

III.1. INTRODUCTION 60

III.2. SITUATION GEOGRAPHIQUE DES SITES ETUDIES 60

III. 3. LA GOLOGIQUE DES SITES 60

III.3.1. Sites dAlger 61

III.3.1.1. Le Primaire 61

III.3.1.2. Le Tertiaire 61

III.3.1.3. Le Quaternaire boulis et formations de pentes 61

III. 3.2. Site de Blida 62

III. 3.3. Sites de Boumerds 63

III. 3.3.1 Les alluvions rcents 62

III. 3.3.2. Les sites de Beni Amrane et Bordj Menaiel 63

III. 3.3.3. Les sites de Boudouaou El Bahri et de Boumerds 64

III. 3.4. Les sites de Mda 64

III.3.5. Site de Tissemsilt 65

III.4. LA CLIMATOLOGIE DES SITES TRAITS 65

III. 4.1. Le climat dAlger 65

III. 4.2. Le climat de Boumerds 66

III. 4.3. Le climat de Mda 67

III. 4.4. Le climat de Tissemsilt 67

III.5. LETUDE MINERALOGIQUE DE QUELQUES SITES ALGERIENS 62

III.5. 1. Principe de la diffraction aux rayons X 72

III.5. 2. Principe du MEB 73

III.5. 3. Minralogie des sites tudis 74

III.5. 3.1. Les sites de Mda 74

III.5. 4. Les observations au MEB 78

III.5.4. 1. Les sites de Mda 78

III.5.4. 1. Les sites de Boumerds 80

III.6. CONCLUSION 82

CHAPITRE IV : ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT DES

SITES ETUDIES

83

IV.1. INTRODUCTION 84

IV.2. Ltude gotechnique des sites 84

IV.2.1. Programme dessais 85

IV.2. 2. Rsultats des essais didentification 86

IV.3. ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT A PARTIR DES

MTHODES DE CLASSIFICATION

90

IV.4. ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT A PARTIR DE

METHODES EMPIRIQUES

94

IV.5. TUDE DE POTENTIEL DE GONFLEMENT PARTIR DES ESSAIS

MCANIQUES

96

IV.5.1. Programme dessai mcanique 96

IV.5.2. Matriels utiliss 96

IV.5.3. Procdure dessai 97

IV.5. 4. Discutions des rsultats des essais mcaniques 99

IV.5. 5. Comparaison des diffrents rsultats issus des diffrentes mthodes

estimatives

101

IV.6. TUDE STATISTIQUE DES RSULTATS GOTECHNIQUES 104

IV.6.1. Analyse des variables en utilisant les statistiques descriptives 104

IV.6.2.Corrlations entre les diffrents paramtres gotechniques 104

IV.7. CONCLUSION 105

CHAPITRE V : MECANISME DE GONFLEMENT 106

V.1. INTRODUCTION 107

V.2. CINETIQUE DE GONFLEMENT 107

V.2. 1. Procdure dessai de gonflement 108

V.2.2. Rsultats dessais 108

V.2.2. 1. Phase dinitialisation 109

V.2.2. 2. Phase de gonflement primaire 112

V.2.2. 3. Phase de gonflement secondaire 112

V.3. INFLUENCE DE LA PROCEDURE DESSAI SUR LA CINTIQUE DU

GONFLEMENT

113

V.4. INFLUENCE DE LA PROCEDURE DESSAI DE GONFLEMENT SUR LE

RESULTATS DE GONFLEMENT

115

V.4. 1 Prparation des chantillons 116

V.4. 2. Prsentation et discutions des rsultats 117

V.4. 3. Comparaison des pressions de gonflement obtenues 120

V.5. LES PARAMETRES MOTEUR DU GONFLEMENT 121

V.5.1. La minralogie 122

V.5.2 la structure argileuse 122

V.5.3. Les paramtre dtat 122

V.6. SIMPLIFICATION DE LECRITURE DES MODELES EMPIRIQUES 126

V.6.1. Calcul simplifi de la pression de gonflement 126

V.6.2. Calcul simplifi du taux de gonflement 127

V.7. CONCLUSION 128

CHAPITRE VI : EFFET DES SOLLICITATIONS CYCLIQUES SUR LE

POTENTIEL DE GONFLEMENT

130

VI.1. INTRODUCTION 131

VI.2. EVOLUTION DE POTENTIEL DU GONFLEMENT SOUS DES

SOLLICITATIONS MCANIQUES (CHARGEMENT-DCHARGEMENT)

131

VI.2.1. Procdure dessai de chargement dchargement 131

VI. 2. 2. Discussion des rsultats 132

VI. 3. VOLUTION DE POTENTIEL DU GONFLEMENT SOUS DES

SOLLICITATIONS SAISONNIRES (SCHAGE ET HUMIDIFICATION)

146

VI. 3.1. tude de leffet des so llicitations saisonnires sur des chantillons identiques. 137

VI.3. 1.1. Procdure dessai 137

VI.3. 1.2. Analyse des observations 137

VI.3. 1.3. Rcapitulatif des rsultats 140

VI.3. 2. tude de leffet des sollicitations saisonnires sur des chantillons diffrents 141

VI.3. 2.1. Analyse des observations 143

VI.3. 2.2. Rcapitulatif des observations 145

VI.4. EFFET DU MODE DE SATURATION SUR LEVOLUTION DU RETRAIT

GONFLEMENT

145

VI.4. 1. Saturation par infiltration 146

VI.4. 2. Saturation par capillarit 146

VI.4. 2. 1. Analyse des observations 146

VI. 4. 3. Rcapitulatif des rsultats de ltude de linfluence du mode de saturation sur

lvolution de retrait-gonflement

151

VI. 5. VOLUTION DE LA TEXTURE ARGILEUSE APRS UN CYCLE DE

RETRAIT-GONFLEMENT

151

IV.6. TUDE DUN CAS PATHOLOGIQUES CAUS PAR LEFFET DES

SOLLICITATIONS SAISONNIRES : CAS DUN MOUVEMENT DE TERRAINS

156

VI. 6.1. Causes des dsordres 158

VI. 7. CONCLUSION 156

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 159

Liste des figures

CHAPITRE I : GENERALITE SUR DES ARGILES

Figure. I.1. Types de phyllosilicates forms au cours de l'altration. 7

Figure. I.2. Structure de la bentonite diffrentes chelles, (daprs Karnland 1998,

Pusch et Yong 2003, cit par Krhn 2003). 8

Figure. I.3. Structure de base des phylosilicates 9

Figure I.4. Assemblage dune couche octadrique et dune couche ttradrique pour

une argile TO (1:1). 10

Figure. I.5. Assemblage dune couche octadrique et deux couches ttradriques pour

une argile TOT (2:1). 10

Figure. I.6. Cristaux des particules de kaolinite vus au microscope lectronique

balayage 12

Figure. I.7. Cristaux des particules dIllite vus au microscope lectronique Balayage 13

Figure . I.8. Vue microscopique au MEB de la montmorillonite et arrangement des

feuillet 14

Figure. I. 9. Cristaux de chlorite vus au microscope lectronique balayage 14

Figure. I.10. Photographie MEB de texture matricielle (a : Argile Verte de Romainville)

et texture agrg (b : Argile de Bavent) (Vincent et al., 2009) 15

Figure I. 11.Gonflement et hydratation du matriau argileux 17

Figure I .12 . Action des forces sur une molcule deau, (Delage et al., 2001 cit par

Masekanya, 2008). 18

Figure I .13 . Remonte capillaire dans un tube, (Delage et al., 2001 cit par Masekanya,

2008). 18

Figure I .14. Mcanismes possible dadsorption la surface de largile, Michell (1976) 19

Figure I.15. Forces lectrostatique dans la double dune couche 21

FigureI.16. Rpartition des ions autour particule charg 22

Figure I.17. Reprsentation schmatique de la double couche lectrique et de

lvolution du potentiel lectrique en fonction de la distance de la particule la solution, 23

Anand et al.

Figure I.18. Reprsentation schmatique de la couche interfoliaire dans le cas de

cations interfoliaires hydrats. 25

Figure I.19. Courbe de gonflement en fonction du temps 25

Figure I.20. Influence de la teneur en eau sur la pression de gonflement mesur par la

mthode de gonflement libre (dmoy =14,5 k N/m3) (Guiras-Skandaji, 1996).

27

Figure I.21. volution du taux de gonflement final en fonction de la teneur en eau initiale

pour la bentonite compacte un poids volumique sec de 14,5 k N/m3 (Guiras-Skandaji,

1996).

28

Figure I . 22. Influence de la teneur en eau initiale sur la pression de gonflement de la

bentonite (la densit sche des chantillons est indique en Mg/m3) (Villar et

Lloret,2008)

29

Figure. I.23. Dformations finales des essais saturs sous une pression Verticale de

0,1MPa sur des chantillons compacts diffrentes densits sches initiales et teneurs

en eau. (Villar et Lloret, 2008)

29

Figure I.24. Dformation finale obtenue des essais de gonflement libre effectus avec des

chantillons dune densit sche initiale de1,70 mg/m3: rsultats exprimentaux et

prdictions avec lequation (I.3)

29

Figure 1.25. Variation de la pression de gonflement avec la densit sche initiale.

(Guiras, 1996) 30

Figure I.26. pression de gonflementdun essai de gonflement empch et taux de

gonflement dun essai de gonflement libre (Villar et Lloret, 2008). 30

Figure I.27. le potentiel et la pression de gonflement en fonction du pourcentage de

bentonite (Tabani P., 1999) 31

CHAPITRE II : METHODE DESTIMATION DU POTENTIEL DE

GONFLEMENT

Figure. II.1. Classification propose par Seed et al.1962 35

Figure. II.2. Classification des sols gonflants de Vijayvergiya et Ghazzaly (1973) et

David Komornik (1969). 37

Figure. II.3. Abaque de Williams et Donaldson 38

Figure. II. 4. Classification propose par Dakshanamurthy et Raman, 1973 39

Figure. II. 5. Classification propose par McKeen (1992) 41

Figure. II. 6. Essai de gonflement libre (Fredlund, 1995) 48

Figure. II. 7. Chemin de contraintes dun essai de gonflement libre (Fredlund, 1995) 48

Figure II. 8. Chemin de contrainte reprsentant le gonflement de sol de Regina (modifi

daprs Fredlund, 1983) 51

Figure II.9. La procdure suivit pour dterminer la pression de gonflement corrige en

incorporant leffet de remaniement de lchantillon (modifi aprs Fredlund, 1987) 55


ALGRIENS

Figure. III.1. situation gographique des sites tudis 60

Figure. III.2. Extrait de la carte gologique de lAlgerie edite en 1951 -1952 montrant la

gologie des regions dAlger et de Blida lchelle de 1/500,000e 62


gologie de la region de Boumerdes lchelle de 1/500,000e 63

Figure. III.4. Extrait de la carte gologique de lAlgerie edite en 1951-1952 montrant

la gologie de la region de Mda lchelle de 1/500,000e. 66

Figure III.5. Extrait de la carte gologique et topographique de la rgion de Mda,

feuille n86, chelle 1/50000 67


gologie de la region de Tissimsilt (vialar) lchelle de 1/500,000e 68

Figure. III.7. Variations mensuelles des tempratures, humidits et prcipitations de

l'anne 1995 jusqu' 2009 dans le site dAlger. 69

Figure. III. 8. Variation mensuelle moyenne des prcipitations, humidits et tempratures

dans la rgion de Boumerdes durant la priode 1995 - 2009 (donnes de loffice national

mtorologique de Dar El Beida, Alger, Algrie).

70

Figure. III. 9. Variation mensuelle moyenne des prcipitations, humidits et tempratures

dans la rgion de Mda durant la priode 1995 - 2009 (donnes de loffice national

mtorologique de Dar El Beida, Alger, Algrie).

71

Figure. III.10. Variations mensuelles des tempratures, humidits et prcipitations de

l'anne 1995 jusqu' 2009 dans le site de Tiaret (donnes de lOffice National

Mtrologique dAlger, Algrie)

72

Figure. III. 11. Principe de la diffraction aux rayons X 73

Figure. III.12. Diagramme montrant le principe du Microscopique Electronique

Balayage MEB 74

Figure. III.13. Le MEB utilis pour la ralisation des observations 74

Figure. II.14. Rsultats de la diffraction aux rayons X, ainsi que les photos

correspondante pour chaque chantillon du site 1 (Haouch Bey Zid; Mda). 77

Figure. III.15. Rsultats de la diffraction aux rayons X, ainsi que les photos

correspondante pour chaque chantillon du site 2 (Chrachra; Mda). 80

Figure. III.16 Images au MEB de deux chantillons intacts prlevs dans le site 1, (a) et

(b) chantillon E6 prlev 5,35 m, (c) et (d) chantillon E5 prlev 5,00 m 79

Figure. III.17.a . Image MEB Images au MEB de deux chantillons intacts prlevs dans

le site 2, (a) et (b) chantillon E10 prlev 0,50 m, (c) et (d) chantillon E4 prlev

6,00 m.

79

Figure. III.17. b. Image MEB Images au MEB de deux chantillons intacts prlevs dans

le site 2, (a) et (b) chantillon E10 prlev 0,50 m, (c) et (d) chantillon E4 prlev

6,00 m.

80

Figure. III. 18. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Bourdj

Mnail (Boumerds) 80

Figure. III.19. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Dellys

Boumerds). 81

Figure. III.20. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Legata

Boumerds) 81

Figure. III.21. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Sghirate

(Boumerds). 81

CHAPITRE IV : ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT DES SITES

ETUDIES

Figure. IV.1. Prsentation de la plasticit des sols tudis dans labaque de Casagrande. 86

Figure. IV.2. Classification des sites tudis selon la mthode de Vijayvergiya et

Ghazzaly (1973). 90

Figure. IV.3. Classification des sites tudis selon la mthode de Williams et Donaldson 91

Figure. IV.4. Classification des sites tudis selon la mthode de Seed et al, 1962. 92

Figure. IV.5. Classification des sites tudis selon la mthode de BRE. Royaume uni. 93

Figure IV.6. Allure dun chantillon gonfl (procdure AFNOR de gonflement libre) 98

Figure IV.7. Allure dun chantillon gonfl (procdure ASTM de gonflement libre) 98

Figure .IV.8. Dispositif oedomtrique asservi Geocomp 98

Figure. IV.9. Exemple de courbes de gonflement libre mthode A selon ASTM D-4546-

90. 100

Figure IV.10. Exemple de courbes de gonflement volume constant mthode C selon

ASTM D-4546-90. 105

Figure VI.11. Calcul derreur de la pression de gonflement des mthodes estimatives

utilises 105

Figure IV.12.Calcul derreur du taux de gonflement des mthodes estimatives utilises 98

CHAPITRE V : MECANISME DE GONFLEMENT

Figure. V.1. (a) Vue de la mise en place cellule de pression 113

Figure. V.1. (b) Schma dtaill sur le principe la de la de la cellule de mesure de

pression la base 113

Figure. V.2. Graphe mesurant la pression interstitielle la base de lchantillon,mthode

ASTM, A (E4 2,60/3,0 m) 114

Figure. V.3. Graphe de mesure de pression la base de lchantillon ralis avec la

mthode A (E 7 1,47/1,90m) 115


mthode A (E 10 5,65/6,00m) 115


mthode B (S7 5,0/ 5,50m) 116


mthode B (E5 6,80/7,30 m) 116


mthode B (E5 5,0/5,50 m) 117

Figure. V.8. Prsentation des trois phases de gonflement 118

Figure V.9. Cintique de gonflement des argiles de Mda 119

Figure V. 10. chantillons extraient des deux sites de Mda 121

Figure V.11. Prparation dchantillon de lessai oedomtrique 122

Figure.V.12. Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes de la norme ASTM

sur lchantillon E10 (Prof : 0,5-1,0m) prlev du site de Mda. 123

Figure V.13. Courbes Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes de la

norme ASTM sur lchantillon E7 (Prof : 2,4 - 2,80 m) prlev du site de Mda. 123

Figure V.14. Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes de la norme ASTM

sur lchantillon E7 (Prof : 5,0-5,50 m) prlev du site de Mda. 124

Figure V.15. Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes la norme ASTM

sur lchantillon E5 (Prof : 5,0-5,50 m) prlev du site de Mda. 126

Figure 16. Courbes oedomtrique ralis sous diffrentes pressions de gonflement 126

Figure. V.17. Graphe reprsentant la corrlation entre la teneur en eau et la densit

sche 129

Figure V 18. Corrlation entre la densit sche mesure au laboratoire et la densit

sche calcule partir des valeurs de teneur en eau de Zemenu (2009) (argile de

Romainville) et dAissa Mamoune (2009) (argile de Telemcen)

130

Figure. V 19. Densit sche mesure au laboratoire et la densit sche estime 130

Figure V.21. Application sur le modle de Bekkouche 1. 132

Figure. V. 22. Application sur le modle de David & Komornik, cit par Kabbaj 1989. 133

Figure V. 23. Application sur le modle de Bekkouche 2. 133



Figures. VI.1 Courbe de chargement-dchargement cyclique (E4 2,6/3,0m) 138

Figures. VI.2. Courbe de chargement dchargement cyclique (E7 1,4/1,9m) 138

Figures. VI.3. Courbe de chargement dchargement cyclique (E4 2,6/3,0m) 139

Figures.VI. 4. Courbe de chargement dchargement cyclique (E10 5,6/6,0m) 139

Figures. VI.5. Prsentation de lvolution du taux de gonflement des argiles gonflantes

de Mda sous leffet des cycles de chargement dchargement. 140

Figures. VI.6. Prsentation de lvolution du taux de gonflement des argiles gonflantes

de Mda sous leffet des cycles de chargement dchargement. 140

Figures. VI.7. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait

gonflement (Ech /B1). 143



Figures. VI.9. volution de la structure argileuse aux cours des cycles de retrait


Figure. VI.10. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait

gonflement (Ech /D2).149 147


gonflement (Ech /E2). 150 148


gonflement (Ech /F2) 151 149


gonflement (imbibition la base, Ech /B2) 152


gonflement (imbibition la base, Ech /D1) 153


gonflement (imbibition la base, Ech /E1) 155


gonflement (imbibition la base, Ech /F1) 158 156

Figure VI.17. Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site 1 (E6 5,35/5,70)

Mda 158

Figure VI.18. a. Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site1 (E5 5,0/6,0)

Mda 158

Figure VI.18b. Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site1 (E5 5,0/6,0)

Mda. 159

Figure VI.19 Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site2 (E4 6,0/6,45m)

Mda 159

Figure VI.20 Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site2 (E10 0,5/1,0m)

Mda 160

Figure. VI.21. Images au MEB dun chantillon (S5 prof 5,0-5,5m) remani dargile du

site Haouch Bey Zid; Mda. 160

Figure. VI.22. Image correspondante aux chantillons intacts extrait une profondeur de

6 mtres. 161

Figure. VI.23 .Exemple dimage correspondante aux chantillons ayant subit un cycle de

retrait-gonflement 161

Figures VI. 24. rosion de sol des fondations 162

Figures VI. 25. Rseau dassinissement dtruit 162

Figures VI. 26. Cisaillement dun revtement 162

Figures VI. 27. dplacement des masses de sols et rosion 162

Figures VI. 28. Destruction dune chaufferie ralis en bton arm 163

Figures VI. 29. Les principales causes du mouvement de terrains observ dans le site de

la cit universitaire. 163

Liste des tableaux

CHAPITRE II : METHODE DESTIMATION DE POTENTIEL DE

GONFLEMENT

Tableau.II.1. Relation entre le gonflement libre et lindice de plasticit Seed et al.2,

1962)

35

Tableau.II.3. Potentiel de gonflement daprs Chen (1988) 36

Tableau.II.6. Relation entre potentiel de gonflement et indice de retrait (Ranganatham et

Satyanarayana, 1965)

37

Tableau. II.7. Rsum de quelques mthodes destimation de potentiel de gonflement. 39

Tableau.II. 8. Modles empiriques de calcul du taux de gonflement (g) et de la pression de gonflement (g)

39

Tableau.II.9. Comparaison entre les diffrentes mthodes de classification daprs

Johnson et Snethen (1978) et Josa (1988).

40

Tableau.II.10. Rsum des mthodes d'essai oedomtriques 41

Tableau II.11. Essais domtriques utiliss pour la mesure de gonflement charge

constante

46

Tableau. II.12. Prsentation quelques mthodes de gonflement volume constant 47

Tableau II. 13 Mthode de gonflement volume constant et charge constante 52


ALGRIENS

Tableau III.1. Rsultats danalyse chimique Selon la norme NFP 15-467q

Tableau III.2. La composition minralogique estimative semi quantitative 62

CHAPITRE IV : ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT DES SITES

ETUDIES

75

Tableau. IV. 1. Nombre de sondage et dchantillons extraits de chaque site 75

Tableau. IV.2. Rsultats des essais didentification des sites dAlger

Tableau. IV.3. Rsultats des essais didentification des sites de Blida 85

Tableau. IV.4. Rsultats des essais didentification des sites de Boumerdes 87

Tableau. IV.5. Rsultats des essais didentification des sites de Mda 87

Tableau. IV.6. Rsultats des essais didentification des sites de Tissemsilt 88

Tableau. IV.7 rcapitulatif des rsultats de lestimation partir des mthodes de

classification classique.

88

Tableau. IV.8. Rcapitulatif des calculs estimatifs du potentiel de gonflement partir des

modles empiriques

89

Tableau IV.9.Tableau des rsultats gotechnique des sites dAlger 94

Tableau. IV.10.Tableau des rsultats gotechnique des sites de Blida 95

Tableau. IV.11.Tableau des rsultats gotechnique des sites de Boumerds 101

Tableau. IV.12.Tableau des rsultats gotechnique des sites de Mda 101

Tableau. IV.13.Tableau des rsultats gotechnique du site de Tissemsilt 101

Tableau IV.14. Rcapitulatif des rsultats estimatifs de la pression de gonflement partir

des modles empiriques

102

Tableau IV.15. Rcapitulatif des calculs estimatifs du taux de gonflement partir des

modles empiriques.

102

Tableau IV.16 Rsultats de lanalyse statistique effectue sur les paramtres

gotechniques des sites tudis

103

Tableau IV.17. Prsentation de la matrice de corrlation entre les paramtres

gotechniques.

16

CHAPITRE V : MECANISME DE GONFLEMENT 108

Tableau V. 1. Rcapitulatif des rsultats des essais de gonflement avec les mthodes A et

B

109

Tableau V.2. Rsultats dessai de gonflement avec les trois mthodes A, B et C de la

norme ASTM

Tableau. V. 3. Effet de la teneur en eau et de la densit sche sur le potentiel de

gonflement en fixant certains paramtres dtat du sol.

120

Tableau V. 4. Effet de la teneur en eau et de la densit sche sur le potentiel de

gonflement en fixant certains paramtres dtat du sol.

125



126

Tableau VI.1. Caractristiques gotechniques des chantillons 128

Tableau. VI.2. Caractristiques didentification des chantillons 129

Liste des symboles

Ac : Activit.

Ip : Indice de plasticit.

Ps, Pg , g: Pression de gonflement.

Pc : Pression de consolidation.

pa : Pression atmosphrique.

wn : Teneur en eau naturelle.

Wl : limite de liquidit.

w : Teneur en eau.

w0 : Teneur en eau initiale.

wopt : Teneur en eau optimale.

C : Cohsion.

CEC : capacit dchange cationique.

Z, H : Profondeur.

M : Facteur caractrisant le poids de la procdure.

Wr: Limite de retrait.

C, F2 : Pourcentage de la fraction argileuse.

VB : Valeur de bleu de mthylne.

Sst: Valeurs de surface spcifique totale.

wL : Limite de liquidit.

e : Indice dvide.

F : Surface de charge.

Ir : Indice de retrait.

Rl : retrait linaire.

d max : densit humide maximale.

d i: densit humide initiale.

Ig, Cs et CH : indice de gonflement.

nat: succion naturelle des sols en tsf.

SP : Potentiel de gonflement.

IL : indice de liquidit.

WL : limite de liquidit.

Ir : Indice de retrait.

Wp : Limite de plasticit.

Q, : surcharge verticale.

v : Pression de confinement.

Ag, s, : Taux de gonflement.

d : Poids volumique sec.

: Gonflement libre.

r2 : coefficient de corrlation.

Introduction gnrale

Le phnomne de gonflement de certaines formations gologiques argileuses, ayant de forts

indices de plasticit, pose de srieux problmes dans plusieurs pays du monde, notamment ceux

situs en zones arides et semi arides. Les sols gonflants occasionnent des dsordres importants aux

ouvrages quils supportent lors dun apport important deau extrieur. Tous les types de structures

fonds en surface sur ces sols (btiments, ouvrages de soutnement, remblais, etc.), les rseaux

routiers ainsi que les ouvrages enterrs (tunnels, pieux, canalisations, fondations profondes, etc.),

subissent des dommages. Les exemples des dsordres lis la prsence dargiles gonflantes sont

nombreux et varis (Bekkouche, 1997 ; Chen, 1965 ; Mouroux et al., 1988 ; Philipponnat, 1991 ;

Hachichi & Fleureau, 1999; Yenes & al., 2010).

En Algrie, ces sols argileux gonflants sont trs rpandus et plusieurs rgions, In-amenas, In-Salah,

Mda, Msila, Tlemcen, Mostaganem, etc. y sont touches. De nombreux cas de dsordres

douvrages ont t recenss (Ameur, 1989 ; Bahar & Kenai, 2002 ; Bahar & Kenai, 2008 ;

Bekkouche, 1997, Derriche & al., 1999 ; Djedid et al, 2001 ; Hachichi & Fleureau, 1999). Ce

phnomne continue encore se manifester dans de nombreuses rgions et engendre chaque anne

des dgts considrables, en particulier sur les constructions lgres en raison de leurs fondations

superficielles. Afin de rduire les risques d'apparition de ces dsordres, des tudes gotechniques

spcifiques permettant lidentification de ce phnomne sont donc ncessaires afin den tenir

compte dans les tudes de gnie civil.

Lidentification des sols gonflants peut seffectuer lchelle microscopique et lchelle

macroscopique. Lanalyse minralogique a sans aucun doute apport beaucoup dans la description

des argiles et montre toute ltendue et la diversit des minraux argileux (Caillre & Hnin, 1963 ;

Mitchell, 1993 ; Tovey, 1971), et jouant un rle important dans le comportement du sol, notamment

lors du retrait et du gonflement (Serratrice & Soyez, 1996 ; Mitchell, 1976 ; Yong & Warkentin,

1975). Lchelle macroscopique consiste en une identification primaire laide dessais simples

didentification ou dessais mcaniques.

La premire approche est trs coteuse et ninforme pas sur les paramtres mcaniques du

gonflement. La deuxime approche peut prsenter un intrt considrable puisqu'elle permet un

gain en temps et en cot. En effet, le fait de souponner qu'un sol puisse tre gonflant ds la

campagne de reconnaissance prliminaire permet dorienter les campagnes de reconnaissance de

confirmation. Cette deuxime approche est la plus souvent utilise pour caractriser les minraux

gonflants et quantifier le processus de gonflement, elle fournit les paramtres macroscopiques

directement applicables au dimensionnement des ouvrages de gnie civil (Mrad, 2005).

La littrature contient un nombre considrable d'approches empiriques qui permettent d'apprcier le

potentiel de gonflement des sols partir de la mesure des paramtres de plasticit et de

granulomtrie (Chen, 1988 ; Dakshanamurthy & Raman, 1973 ; Seed & al., 1962 ; Vijayvergiya &

Ghazzaly, 1973 ; mthode de BRE (Royaume Uni), 1980 ; Komornik & David, 1969 ; Snethen

1984 ; Williams & Donaldson, 1980). Seed et al. (1962) proposent une classification des sols en

fonction de la teneur en argile et lactivit corrige. Chen (1988) relie le potentiel de gonflement

respectivement la limite de liquidit et lindice de plasticit. Pour ces auteurs, un potentiel de

gonflement trs lev correspond une limite de liquidit suprieure 70 % et un indice de

plasticit suprieur 35 %. Williams et Donaldson (1980) considrent que le caractre expansif des

argiles est fortement li lactivit et propose une classification donnant le potentiel de gonflement

en fonction de lindice de plasticit et la teneur en argile. Ces mthodes donnent des rsultats

divergents do le recours aux essais mcaniques.

Dans la pratique, trois grandeurs sont utilises pour caractriser laptitude dun sol au gonflement

(Mrad, 2005 ; Nowamooz, 2007), savoir le taux de gonflement (g), la pression de gonflement (g)

et le coefficient de gonflement (Cg). Ces paramtres peuvent tre dtermins directement par la

ralisation dessais au laboratoire sur des chantillons intacts loedomtre, matriel le plus

couramment utilis par de nombreux chercheurs (Holtz & Gibbs, 1956 ; Jenning & Knight, 1957 ;

Lambe & Whitman, 1959 ; Guiras-Skandaji, 1996 ; etc.), bien que certains auteurs aient ralis des

essais in-situ coteux et longs (Mariotti, 1976 ; Ofer & Blight, 1985; Magnan, 1993). Cependant,

les procdures dessais sont diverses. Elles se distinguent principalement par les modalits

d'application des charges sur l'prouvette et elles tirent leur diversit de la complexit du

phnomne et d'une longue pratique empirique. Ces diffrentes procdures d'essais appliques un

mme matriau conduisent des pressions de gonflement diffrentes (Sridharan & al., 1986 ;

Serratrice, 1996).

Ltude du phnomne de gonflement commence donc dabord par le choix du dispositif et la

procdure dessai. Ce choix dpend du problme pos et du but recherch. Les mthodes

frquemment utilises sont (Alonso & al., 1987 ; Serratrice, 1996) : la mthode de gonflement libre,

la mthode de gonflement sous charges constantes et la mthode de gonflement volume constant.

La comparaison des rsultats, obtenus par les diffrentes mthodes dessais au laboratoire

(Gilchrist, 1963 ; Brackley, 1975; Justo & al., 1984; Sridharan & al., 1986 ; Abdudjauwad & Al-

Sulaimani, 1993 ; kheddaj, 1992; Guiras-Skandaji, 1996 ; etc.), montrent que la pression de

gonflement obtenue par la mthode de gonflement libre est plus leve que celle donne par les

autres mthodes de gonflement ; la mthode de gonflement, sous charges constantes, donne des

valeurs faibles et la mthode volume constant donne des valeurs qui se situent entre les deux.

Cependant, la comparaison des pressions de gonflement mesures in situ et celles dtermines au

laboratoire avec les diffrentes procdures semble indiquer que les valeurs de la pression de

gonflement estimes laide de la mthode volume constant soient les plus proches de celles

effectivement constates sur le terrain (Erol & al., 1987 ; Kheddaj, 1992). Kheddaj (1992) a

prconis lutilisation systmatique de la mthode volume constant, dune part, pour viter les

htrognits inhrentes lutilisation de diffrents chantillons (essais de gonflement sous

charges constantes), et dautre part, pour limiter les problmes de mesure, dus notamment a ux

frottements parasites survenant lintrieur des oedomtres lors dessais gonflement libre.

Le sol subit un ensemble de modifications, dans le temps, engendres par des sollicitations

cycliques sous forme de chargement-dchargement et de variations saisonnires. Les

caractristiques dtat tel que, la densit, la teneur en eau et la pression de sur-consolidation change

dune sollicitation une autre. De nombreux auteurs ont effectu des recherches sur leffet des

cycles de schage-humidification sur des argiles gonflantes, exemple de Chen & Ma (1987) ; Subba

Rao & Satyadas (1987) ; Al-Homoud & al. (1995) ; Basma & al (1996) ; Tripathy & al (2002) ; Day

(1994, 1995), Subba Rao & al (2000) et Geremew & al (2009), ils ont travaill sur des chantillons

intacts et remanis et ont montr la disparition des caractristiques hrites des conditions de dpts

et une stabilisation des dformations qui samorcent partir du troisime cycle ainsi quune

augmentation du gonflement cumul avec les cycles. Ces sollicitations changent chaque fois ltat

initial du sol, en lui donnant une nouvelle densit et un nouveau pourcentage de saturation.

Ltude du phnomne de gonflement, gnrateur de tassements diffrentiels et de dsordres aux

constructions, est donc vaste et complexe. Les nombreuses recherches touchant diffrentes

disciplines scientifiques indiquent que le potentiel de gonflement des sols argileux rsulte de

facteurs de prdisposition tels que lhistoire gologique de ces sols (mode de sdimentation,

sollicitations mcaniques, thermiques et hydriques au cours du temps) leur donnant une certaine

prdisposition relative leur composition minralogique et leur texture (Mitchell, 1976). Ce

phnomne trouve son origine galement dans des facteurs environnementaux (contexte climatique,

cadre gomorphologique, hydrologique et hydrogologique, etc.).

Objectifs et organisation de la thse

Lobjectif gnral de ce travail de thse est de caractriser le potentiel de gonflement de

certains sites du nord algrien et dapporter une contribution la comprhension et la

caractrisation du retrait-gonflement des formations gologiques argileuses algriennes

particulirement sensibles ce phnomne.

Ltude comporte plus particulirement, dune part, des tudes gologique, minralogique,

climatologique, gotechnique et microstructurale des argiles des sites tudis ; et dautre part, des

essais hydromcaniques cycliques coupls lanalyse macrostructurale afin dtudier le

comportement et lvolution de ces matriaux au cours des sollicitations climatiques cycliques. La

thse comporte une introduction gnrale, deux chapitres bibliographiques prsentant un tat de

lart sur ce sujet, quatre chapitres sur la partie exprimentale et une conclusion gnrale.

Ltude bibliographique sest focalise dans le premier chapitre sur lidentification des sols

gonflants et les rsultats majeurs concernant leur structure interne, linteraction sol-eau, le processus

de retrait-gonflement au niveau microscopique et macroscopique, linfluence de diffrents

paramtres sur le processus de retrait-gonflement, linfluence du processus de retrait-gonflement sur

la structure interne des sols gonflants et le rle des sollicitations hydriques cycliques et la

fissuration. Le deuxime chapitre traite les diffrentes procdures empiriques et exprimentales de

classification de potentiel du gonflement ainsi quune comparaison des diffrentes procdures.

Le troisime chapitre de la thse est consacr la prsentation des sites de prlvement e t des

matriaux tudis. La localisation gographique, le contexte gologique, climatologique,

minralogique des sites, ainsi une analyse microstructurale partir des images au MEB de la

structure argileuse des certains chantillons y sont prsents.

Ltude gotechnique est prsente dans le quatrime chapitre. Aprs lanalyse des diffrents

rsultats didentification obtenus pour chaque site, une estimation du potentiel de gonflement des

sites tudis est effectue partir des mthodes empiriques. Les rsultats obtenus partir de ces

mthodes ne convergent pas vers la mme estimation du potentiel de gonflement. Pour cela, des

essais de gonflement sont raliss avec un dispositif asservi de type Gocomp, afin de comparer les

potentiels de gonflement.

Le mcanisme de gonflement est prsent dans le cinquime chapitre. Aprs la prsentation de la

procdure dessai, la cintique de gonflement est tudie en se basant sur le moment de la mise en

contact de lchantillon avec leau. Ensuite ltude de leffet de la procdure dessai de gonflement

de la norme ASTM sur le potentiel de gonflement est prsente. Enfin, les paramtres moteurs de

gonflement sont analyss et discuts. Une simplification de lcriture des modles estimatifs du

potentiel de gonflement est effectue, en proposant un modle qui prend en compte uniquement la

densit sche.

Le dernier chapitre aborde lvolution de la macrostructure sous deux types de sollicitations ; les

sollicitations mcaniques cycliques et les sollicitations climatiques cycliques. Lvolution de la

macrostructure est analyse sous les deux effets dimbibition (par infiltration et par capillarit),

cette partie est complte par des observations aux MEB pour montrer lvolution de la

microstructure argileuse aprs un cycle de schage-humidification.

PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE

Chapitre I

Gnralits sur les argiles

5

CHAPITRE I

GENERALITES SUR LES ARGILES

Rsum du chapitre I

Le phnomne de gonflement est une caractristique de certaines formations argileuses, avec

la prsence des conditions initiales favorables. La comprhension de ce phnomne demande

dabord, la dfinition de la structure des diffrentes argiles ainsi que leurs systmes

dhydratation toute en illustrant les diffrentes liaisons physiques et chimiques qui

interviennent lors de gonflement. Beaucoup dtudes montrent que le gonflement ne dpend

pas seulement du type dargile mais aussi dun ensemble de facteurs environnants.

Chapitre I


6

I.1. INTRODUCTION

Le nombre de cas pathologiques lis au gonflement des sols argileux est en

augmentation cause du rchauffement climatique, que la terre ait connu ces dernires

annes.

La prvision et la caractrisation des argiles gonflantes peuvent se faire en rassemblant le

maximum de donnes partir des tudes gologiques, minralogiques et gotechniques et en

tudiant les facteurs environnementaux lexemple du climat, des venues deau, de la

contrainte du chargement...etc.

Ce chapitre rsume les tudes prcdentes et il a pour objectif de dfinir : dabord, lorigine

des argiles, les diffrents types de la structure argileuse et leur caractristique, puis, leffet de

leau et les diffrentes ractions physico-chimiques qui se produit dans la structure argileuse,

par la suite, le mcanisme de gonflement, et en fin les facteurs agissant sur le potentiel de

gonflement.

Ces diffrents points vont nous permettre de comprendre le comportement le phnomne de

retrait-gonflement sur la quelle se base notre tude.

I.2. ORIGINE ET DEFINITION DES ARGILES

Les argiles sont des matriaux sdimentaires de la couche superficielle de lcorce

terrestre, obtenus par dgradation et altration par lhydrolyse des minraux des roches

ruptives et magmatiques sous laction physique et chimique des eaux de surface. Ces rsidus

dtritiques sont dplacs par voie glaciaire, fluviale ou olienne et se dposent dans les

bassins de sdimentation. Le terme argile possde diffrents sens qui ne se recouvrent que

globalement. Il peut dsigner des minraux de structures et proprits particulires, des roches

argileuses composes pour lessentiel de ces minraux ou bien la partie la plus fine dune

analyse granulomtrique dun sol meuble inferieur 2 m, cependant cette dernire sont des

minraux argileux rsultant de la destruction des roches (les roches sdimentaires contiennent

50 %, les schistes 50 80 % et les roches ruptives donnent, par dcomposition, des argiles).

On dit quun sol est argileux sil contient plus de 50% de minraux argileux.

Les minraux dargiles sont fondamentalement constitus de silicium, aluminium, oxygne et

ions hydroxyles. Ce sont des phyllosilicates dalumine hydrats, le prfixe phyllo

dsignant des minraux qui prennent des formes de feuillets, cette structure leurs confre des

proprits adsorbantes et plastiques.

Plusieurs facteurs jouent un rle sur le type dargile rsultant savoir la nature de la roche

mre, la topographie et le climat (Figure I.1).

I.2.1. La roche mre

o L'altration d'une roche acide, comme le granite, donne plutt de la kaolinite ;

o L'altration d'une roche basique, comme le basalte, donne plutt des smectites.

I.2.2. La topographie

Chapitre I


7

Elle commande le drainage et elle intervient galement :

o Sur une pente, o le drainage et le lessivage sont bons, la formation de kaolinite est

favorise.

o Dans une cuvette, milieu confin o se concentrent les solutions, se forment plutt des

smectites.

I.2.3. Le climat

En fonction des roches mres et du climat, les minraux argileux rsultant sont

diffrents :

a) En climat froid : l'altration est faible, les minraux argileux sont identiques ou peu

diffrents des minraux de la roche (illite et chlorite), ils sont hrits de la roche

dorigine.

b) En climat chaud et humide : l'hydrolyse est pousse, la kaolinite se forme en milieu

drain, les smectites en milieu confin. En climat tempr, humide, l'altration est

modre et des interstratifis apparaissent lexemple des illites et chlorites dgrades

et de la vermiculite.

Une transformation des minraux argileux pourra se produire lors de changement de milieu.

Les minraux noforms ou hrits peuvent voluer pour prendre un nouveau statut en

quilibre avec le nouveau milieu. On distingue les transformations par dgradation

(soustraction d'ions) et par aggradation (par fixation d'ions supplmentaires). Ces

transformations ont lieu aussi bien au cours de l'altration que de la diagnse.

Exemple : Kaolinite Chlorite

Smectites Illite

Figure. I.1. Types de phyllosilicates forms au cours de l'altration.

Chapitre I


8

Du point de vu chimique, il sagit de ractions tendant faire acqurir aux combinaisons

dlments chimiques constituant les minraux ou les roches, un tat plus stable que leur tat

initial, au contact de latmosphre. Cest ainsi que les micas se chloritisent, que les feldspaths

se Kaolinisent, que les sulfures se transforment en sulfates. Ce sont toujours des oxydations

ou des hydrolyses.

I.3. STRUCTURE ET MINERALOGIE DES ARGILES :

Les argiles sont des matriaux lamellaires constitus par lempilement de feuillets, elles

ont quatre niveaux dorganisation (Figure I.2).

Les plans sont constitus par les atomes ;

Les feuillets, ttradriques ou octadriques, sont forms par une combinaison de plan ;

Les couches correspondent des combinaisons de feuillet ;

Le cristal rsulte de lempilement de plusieurs couches.

Figure. I.2. Structure de la bentonite diffrentes chelles, (daprs Karnland, 1998, Pusch et

Yong, 2003, cit par Krhn, 2003).

Particule

Chapitre I


9

Un feuillet est form par lassociation de couche ttradrique et de couche octadrique. La

couche ttradrique est forme par un enchainement des ttradres (T) constitue par des

atomes de Si4+, Al3+ et Fe3+.

La couche octadrique est constitue par un enchainement de octadres (O), dont les sommets

sont occups par des atomes doxygne et des groupements hydroxyles et les centres sont

occups par des atomes dAl3+, Fe3+ ,Mg2+ ou Fe2+ (Fig. I.3).

Figure I.3. Structure de base des phylosilicates.

Suivant le mode dagencement des ttradres et des octadres, on distingue deux (2) grandes

familles de minraux :

a) Les minraux fibreux qui sont des espces pseudo feuillets, par exemple les

palygorskites (attapulgite) et les spiolites (Charradi, 2010).

b) Les minraux phylliteux structures lamellaires. Ces derniers sont les plus rpandus et

les plus tudis. Leur classification est base sur le mode dassociation des couches

structurales et le degr doccupation des sites de la couche octadrique (di ou tri

octadrique). Selon la squence dempilement des couches ttradriques et

octadriques, on distingue des minraux de type : 1/1 (T-O), 2/1 (T-O-T) et 2/1/1(T-O-

T-O).

I.3.1. Les minraux 1/1

Ces minraux sont constitus par lempilement suivant la normale des feuillets forms

par lassociation dune couche ttradrique et dune couche octadrique. Les ttradres sont

Feuillet de silice en ttradre.

Feuillet daluminium en octadre.

Chapitre I


10

lis par trois sommets et le quatrime sommet du ttradre sert de lien avec la couche

octadrique (Fig. I.4). La distance basale est de lordre de 7 . Lensemble des charges est

reparti de telle sorte que le feuillet est lectriquement neutre. La cohsion des feuillets est

assure par des ponts hydrognes. Dans ce sous-groupe dargiles, on peut citer la famille des

kaolinites (la kaolinite, la dickite et la nacrite) et lhalloysite.

Figure I.4. Assemblage dune couche octadrique et dune couche ttradrique pour une

argile TO (1:1).

I.3.2. Les minraux 2/1

Ces phyllosilicates comptent plus de 200 varits de minraux diffrents, parmi

lesquelles on trouve les groupes des micas et des smectites (Charradi, 2010). Ces argiles sont

composes dagglomrats, ces agglomrats sont composs de particules, chacune des

particules est compose dun empilement de feuillets ayant une grande extension dans le plan.

Un feuillet est compos dune couche planaire forme par un cation en coordinance

octadrique encadre de deux couches planaires de silicium en coordinance ttradrique (le

feuillet est dit TOT) (Fig. I.5). Les sites octadriques, quand eux, peuvent tre occups soit

par des cations trivalents Al3+ ou ventuellement Fe3+, ces phyllosilicates 2/1 sont alors

dfinis comme dioctadriques, ou par un cation bivalent Mg2+, le phyllosilicate est alors

appel trioctadrique.

Figure I.5. Assemblage dune couche octadrique et deux couches ttradriques pour une

argile TOT (2:1).

La capacit de gonflement des argiles est influence par les arrangements et la

composition minralogique de ces feuillets. De mme, le gonflement est contrl par

Chapitre I


11

lintensit des liaisons interfeuillets qui peuvent se casser lors de lhydratation et modifier par

la suite la microtexture de largile (Wakim, 2005).

I.4. LES PRINCIPALES FAMILLES DES ARGILES

Lanalyse du comportement gonflant des argiles consiste prciser la nature des

liaisons pour chacune des trois familles dargiles considres.

I.4.1. Les Kaolinites

La formule structurale est : (OH)4 Al2 Si2 O5 . Son nom vient de Kao ling, lieu

gographique en Chine. Parmi cette famille, nous avons : Kaolinite, Bertierine, Dickite,

Nacrite et Halloysite.

Une particule dargile est forme dun empilement de plusieurs feuillets dquidistance

fixe de 7 A0, elle est compose dune couche ttradrique siliceuse et dune couche

octadrique alumineuse (Fig. I.6).

Le contact entre les feuillets se fait suivant un plan contenant des ions dhydroxyles OH de

loctadre et des ions doxygne O2 du ttradre. Les liaisons interfoliaires, rsultant de

leffet combin de liaisons dhydrogne et de la force de Van Der Waals, confrent un lien

assez fort avec une grande stabilit vis--vis de leau. Les feuillets sont alors souds les uns

aux autres par des forces de liaisons trs importantes rendant la kaolinite presque insensible

au gonflement.

Les substitutions isomorphes sont peu frquentes dans ce type dargile grce la stabilit

physique de sa structure et le pouvoir de fixation des cations ne dpasse pas 15

milliquivalent/100g.

Les particules de kaolinite sont de grandes plaquettes rigides de forme hexagonale de quelque

dizaines une centaine de nanomtres dpaisseur et de quelques centaine un millier de

nanomtres dextension latrale (dimension latrale / paisseur). Les feuillets sont empils de

manire ordonne et ils sont en contact les uns avec les autres. Thoriquement, leau

interfoliaire na aucune existence dans ce type dargiles.

La kaolinite est frquente dans les sdiments argileux provenant de laltration de roches

acides riches en feldspath (granites par exemple). Elle prsente une forte teneur en alumine

(46 %) et montre des proprits de plasticit, de faible retrait au schage et la cuisson. Elle

demande des tempratures de cuisson leves et elle est assez rfractaire aprs cuisson.

Chapitre I


12

Figure I.6. Cristaux des particules de kaolinite vus au microscope lectronique balayage.

I.4.2. Les illites

Le feuillet lmentaire de lillite est compos dune couche dalumine comprise entre

deux couches de silice. Lepaisseur dun feuillet est denviron 10 A. Les illites sont les plus

rpandues des minraux argileux dans la nature. Elles sont des argiles dites potentiellement

gonflantes. Les liaisons entre les feuillets sont moins fortes que celles des kaolinites. Les

analyses chimiques ont montr ds le dbut, que moins dun ion de silicium sur quatre tait

remplac par un ion daluminium, ce qui diminue dautant la quantit dalcalins entre les

feuillets. Un remplacement partiel des ions Al octadriques par des ions Mg, Fe2+ et Fe3+ est

frquent. Le dficit de charge qui en rsulte est compens par leau et les cations de

potassium K+ (sauf quon a plus d'eau, moins de K+). La prsence de ces cations contribue

renforcer les liaisons interfeuillets. Le comportement des illites se rapproche alors de celui des

kaolinites. La formule structurale est variable selon le model suivant :

Avec

Le groupe des micas prsente aussi des feuillets trois couches T-O-T. Un exemple de mica

est la muscovite Elle fait intervenir des ions K2+ qui sont absorbs

dans les liaisons inter foliaires afin de compenser le dsquilibre des charges. Cependant ces

ions sont lis de faon trs stable et la plupart ne sont pas changeables.

La structure des micas se rapproche de celle des illites sauf quelles sont plus grandes. Leur

formule chimique est la suivante :

Chapitre I


13

Figure I.7. Cristaux des particules dIllite vus au microscope lectronique balayage.

I.4.3. Les Smectites

La Montmorillonites, la Beidellite, la Nontronite, la Hectonite, la Saponite et la

Sauconite sont des argiles dites potentiellement trs gonflantes. Le reprsentant le plus

important de cette famille des minraux est la montmorillonite.

Le terme de montmorillonite a t propos par Damour et Salvetat (1847) daprs le nom de

la ville de Montmorillon (Vienne, France). La montmorillonite se compose comme suit: une

couche octadrique comprise entre deux couches ttradriques. Les ttradres de la couche

ttradrique sont occups par le silicium, et laluminium de la couche octadrique est

remplac partiellement par le magnsium. Lempilement des feuillets est dsordonn ; chaque

feuillet est tourn dans son plan par rapport au prcdent et a une extension latrale

extrmement grande par rapport son paisseur qui est denviron 9.6 A. Ce dsordre est la

constitution des faces inferieures et suprieures de ce type dargile, ne permettent pas le

dveloppement dune liaison hydrogne entre les feuillets, ce qui facilitent leur cartement et

labsorption des molcules varies (eau, cations ou molcules organiques) au niveau de

lespace interfoliaire qui scarte. De ce fait, parvient la sensibilit de ces argiles leau qui

se glisse entre ces feuillets en quantit variable et donne la priodicit de lempilement une

valeur galement variable souvent voisine de 14 A. Ceci cre un dficit de charge compens

par des ions, situs entre les feuillets et qui sont changeables et frquemment reprsents dans

la nature par Na et Ca.

Chapitre I


14

Figure I.8. Vue microscopique au MEB de la montmorillonite et arrangement des feuillets.

Les peuvent sintercaler rgulirement ou irrgulirement avec dautre feuillets

argileux, lensemble forme des interstrafis, le comportement peut savrer gonflant, cest le

cas de la corrensite, la torudite, la kaolinite-montmorillonite, etc.

Il est ncessaire de citer un autre type dargile appel : chlorites (Fig. I.9), du fait que leurs

proprits se rapprochent de celles des argiles. Leurs structure est cependant plus complexe, et

se composent de deux feuillets de micas entre lesquels sinsre un feuillet de brucite. En fait,

le dficit du feuillet de mica est rarement combl par le feuillet de brucite et des cations

interchangeables se logent dans les espaces cres au sein du feuillet de mica. De leau peut

alors pntrer entre les feuillets, provoquant ainsi un accroissement de linterdistence et donc

un gonflement (Bultel, 2001).

Figure I. 9. Cristaux de chlorite vus au microscope lectronique balayage.

Chapitre I


15

I.5. TEXTURE DES ARGILES

Tout comme la structure cristalline des argiles, la texture est un paramtre

important car il conditionne les proprits physiques du minral (Caillre & Hnin, 1959).

La texture concerne lassemblage des minraux (argileux ou pas) sous forme dagrgats ainsi

que larrangement ou la distribution spatiale de ces agrgats (Audiguier, 1979). Aubouin

et al. (1968) dfinissent la texture comme la forme, la dimension et la disposition

dun certain nombre de minraux naturellement groups en une population au sein de la

roche .

Cette organisation peut faire lobjet de diffrentes classifications (Van Olphen, 1963 ; Collins

& Mc Gown, 1974 ; Le Roux, 1975 ; Sergeyev et al., 1978), cites par Maison, 2011, et elles

sont valables pour les sols argileux.

Gens et Alonso (1992) ont tabli une classification pour les sols gonflants, partir des

travaux de Collins et McGown (1974). Cette classification se base sur lorganisation des

particules lmentaires argileuses :

Texture matricielle (Fig I.10a) : texture dont la base est une pte homogne avec les

particules lmentaires dissmines dans cette pte. Cette texture est caractristique des

sols naturels ou des sols compacts du ct humide de loptimum Proctor.

Texture agrge ou compacte (Fig. I.10b) : texture compacte avec les

particules lmentaires assembles sous forme de mottes ou dagrgats.

(Wakim, 2005).

Figure I.10. Photographie MEB de texture matricielle (a : Argile Verte de Romainville) et

texture agrg (b : Argile de Bavent) (Vincent et al., 2009, cit par Maison, 2011).

Il est rare de rencontrer des sols argileux composs uniquement dargile, et au sein

mme de la fraction argileuse, plusieurs types dargiles peuvent coexister. La texture des sols

argileux peut varier fortement en fonction du type de minraux argileux, du mode de

sdimentation et de ltat de consolidation (Windal, 2001). Une roche argileuse qui prsente

une organisation serre et oriente des particules dargiles na pas le mme gonflement quun

sol argileux dont la sdimentation a t rapide et rcente et pour lequel la distance entre les

Chapitre I


16

plaquettes est maximale. Cette organisation des minraux argileux est la principale cause du

gonflement anisotrope.

La texture des matriaux argileux se superpose donc aux organisations des autres minraux

non argileux. Cette htrognit rend la structure et la texture extrmement complexes,

surtout lorsque les minraux argileux sont ciments par dautres minraux carbonats.

I.6. LEAU ET LES MINERAUX ARGILEUX

Largile dans son milieu cherche atteindre un certain quilibre chimique et physique

vis--vis aux diffrentes ractions avec leau.

I.6.1. La forme de l'eau

Leau est llment dterminant dans les proprits des argiles, elle peut se prsenter

sous diffrentes formes dans la structure argileuse grce son caractre dipolaire, la molcule

deau possde la proprit dtre attire par lintermdiaire de ses extrmits positives la

surface ngative des minraux argileux. Cette attraction modifie les proprits

hydrodynamiques de leau et cela dpend de la distance entre les molcules deau et la surface

argileuse.

Deux types deau, existant dans la matrice argileuse, peuvent tre distingus:

I.6.1.1. Eau lie

Elle est attache la surface des grains par le jeu de forces d'attraction molculaire. Ces

forces dcroissent avec la distance entre les molcules d'eau et le grain.

Une premire couche adsorbe, dont l'paisseur est de l'ordre de quelques dizaines de

molcules (environ 50 ), correspond :

Leau des arrtes et des cassures de la surface du rseau cristallin. Les molcules d'eau y

sont retenues par des liaisons de coordination avec les lments superficiels du rseau

cristallin ;

L'eau d'hydratation des cations changeables ;

L'eau de surface interfeuillet, rpartie entre les diffrents feuillets des minraux

argileux, relis entre eux par des liens hydrognes existant entre les groupes OH- et O2.

Dans cette couche adsorbe les proprits de l'eau sont trs fortement modifies.

L'eau a la structure de la glace. La viscosit peut tre suprieure de quelques dizaines de

fois celle de l'eau normale (Rosenqvist, 1959). La densit varie de 1,2 2,4 g/cm3 (Yong et

Warkentin, 1975). L'adsorption des molcules d'eau et des ions dpend en grande partie de la

surface spcifique des argiles.

Une zone de transition d'eau dite "diffuse", entre 0,005 et 0,5 m contient des molcules d'eau

fixes et qui supportent encore une attraction non ngligeable.

Chapitre I


17

L'eau d'hydratation des argiles gonflantes (type smectites) correspond de l'eau adsorbe et

de l'eau diffuse, ou de l'eau faiblement lie.

I.6.1.2. Eau libre

Au del de 0,5 m (Marsily, 1981), l'eau n'est retenue dans l'argile que par les forces

capillaires et elle est capable de se dplacer sous l'effet de la gravit ou d'un gradient

hydraulique suffisant. C'est l'eau libre, appele aussi eau interstitielle. D'une faon g nrale,

les forces mises en jeu sur l'eau par les particules d'argiles diminuent avec la distance (Fig.

I.11).

Figure I. 11. Gonflement et hydratation du matriau argileux.

Plus d'lectrons d'un ct du noyau d'un atome que de l'autre, d'o la formation de diples qui

se rattachent par leur ct oppos lectriquement, les forces mises en jeu sont faibles mais

additives (d'o leur importance) et diminuent trs lentement avec la distance. Elles sont

suffisamment fortes pour dterminer l'arrangement final de certains solides et elles sont une

source majeure de cohsion dans les sols fins (Mitchell 1976). Les forces d'adhsion dans les

sols argileux "humides" sont principalement du type Van Der Waals (Rosenqvist 1959).

I.6.2. Principales type dhydratation.

La recherche bibliographique a permis de mettre en vidence quatre principaux

phnomnes dhydratation des argiles :

Hydratation par capillarit,

Hydratation par adsorption

Hydratation par osmose,

Transformations chimiques.

La structure complexe des argiles leur confre la particularit de shydrater par le phnomne

de succion.

On dfinit la succion comme tant une mesure d'affinit entre le sol et leau interstitielle. Elle

se dfinit comme la somme de plusieurs composants (Delage et Cui, 2001).

Chapitre I


18

I.6.2.1. Hydratation par succion capillaire

Les phnomnes de capillarit se produisent l'interface entre deux fluides (G et L),

comme le montre la figure I .12, car les molcules y sont soumises un ensemble de forces

d'interactions non quilibres, la diffrence d'une molcule situe au sein du fluide.

Une molcule d'eau au sein d'une masse d'eau est soumise des actions de mme nature (Fig.

I .12 ), alors que celle l'interface entre deux fluides, eau-air par exemple, est soumise des

actions diffrentes : actions dues l'eau et actions dues l'air. Les molcules d'eau

l'interface eau-air sont donc attires vers la masse d'eau et la surface de l'eau est soumise une

force perpendiculaire la surface libre.

C'est cette attraction qui engendre une tension de surface l'interface et qui est reprsente

sur la figure I.13 dans le cas dun interface plan.

La capillarit est souvent illustre par le schma de la figure I.13 dcrivant la remonte

capillaire de l'eau dans un tube de rayon plong dans un rcipient contenant de l'eau. La

relation entre le rayon de courbure du mnisque sphrique eau-air dans le tube et la diffrence

de pression entre l'air et l'eau est donne par la loi de Laplace, qui se simplifie dans

l'hypothse de pores cylindriques et prend l'expression de la loi de Jurin:

(I.1)

ua et uw sont respectivement les pressions d'air et d'eau, sc est la succion capillaire, s tension

de surface eau- air, l'angle de raccordement entre le mnisque et le solide.

La hauteur dascension capillaire hc est ds lors dfinie comme :

(I.2)

Figure I .12 . Action des forces sur une molcule deau, (Delage et Cui, 2001 cit par

Masekanya, 2008).

Chapitre I


19

Figure I .13 . Remonte capillaire dans un tube, (Delage et Cui, 2001 cit par

Masekanya, 2008).

I.6.2.2. Succion dadsorption

Ladsorption de leau par des solides met en jeu des forces (succion) de nature

lectrostatiques: il se forme des zones lectriquement charges la surface des minraux (en

particulier pour les argiles). Les lments physiques (Fig. I.14) engendrant cette succion

dadsorption sont:

la liaison hydrogne entre les molcules deau et les atomes doxygne ;

les hydroxydes situs la surface des feuillets argileux ;

leau ncessaire lhydratation des cations attirs par les dfauts de charge du feuillet;

leau attire par lattraction osmotique cre par la concentration de cations au voisinage

du feuillet;

lattraction lectrique du ple positif du diple que forme la molcule deau ;

les forces dattraction de Van der Waals ;

Ces liaisons sont expliques dans le paragraphe I.6.3. Toutes ces forces concourent

lattraction de leau avec une intensit dcroissant trs rapidement avec la distance. Ces forces

se traduisent localement par des pressions deau trs ngatives.

Chapitre I


20

(a)Liaisons hydrognes ; (b) hydratation des ions ; (c) attraction osmotique ; (d) attraction

lectrique du diple. Figure I .14. Mcanismes possible dadsorption la surface de largile, Mitchell (1976).

I.6.2.3. Succion osmotique

La succion osmotique est la capacit de rtention deau par les sels prsents sous forme

dissoute dans leau interstitielle. Elle est due la diffrence de concentration en sel dans les

diffrents points de la matrice du sol. Dans le cas o la concentration de sel est faible, cette

composante peut tre nglige et la succion totale sera donne directement par la succion

matricielle.

a) Succion matricielle

La succion matricielle Sm est dfinie comme la somme des deux succions prcites.

(I.3) b) Succion totale

La succion totale est dfinie comme la somme des succions matricielle et osmotique :

(I.4)

I.6.2.4. Transformations chimiques

Trois types de transformations chimiques se distinguent principalement :

o La transformation de lanhydrite en gypse,

Chapitre I


21

o Loxydation de la pyrite,

o La dissolution des carbonates dans leau.

I.6.3. Les forces physico-chimiques existantes entre les particules

Les substitutions isomorphes de Si et Al par d'autres cations sont courantes dans les

argiles et elles s'accompagnent de modifications de la charge lectrique des particules vers des

charges ngatives. Ces dficits en charge peuvent aussi provenir de l'interruption du cristal.

Ainsi les artes seront charges ngativement car il n'y a pas d'autres ttradres ou octadres

mettre en commun. Ce phnomne est plus marqu pour de petites particules et il est

l'origine de l'attraction de divers cations et de la rpulsion des anions. Les cations, plus ou

moins hydrats selon leur nature, influenceront l'hydratation des particules argileuses.

Ceci montre l'existence de forces physico-chimiques qui rgissent l'quilibre entre les

particules. Les observations au microscope lectronique balayage sur les associations de

particules tmoignent de l'importance de ces forces. Celles-ci sont de deux types : attractives

ou rpulsives.

I.6.3.1. Les forces attractives

Elles proviennent des liaisons:

Covalence : mise en commun d'un ou plusieurs lectrons de deux atomes pour assurer

la neutralit lectrique ;

Ionique : les cations apportent l'lectroneutralit. Dans le cas de l'illite, les atomes de

potassium sont pigs entre les groupes dhydroxyles les plus petits et l'eau ne peut

pntrer. Cette liaison est forte. Dans le cas des smectites, les ca tions Na+ et Ca2+ sont

attirs par la surface des feuillets. L'espace interfoliaire est suffisant pour laisser

pntrer les molcules d'eau, et l'hydratation libre une nergie suprieure aux forces

d'attraction entre couches d'argile. Les liaisons deviennent faibles et l'espace

interfoliaire augmente avec H2O, d'o un gonflement important du minral.

Hydrogne : liaison entre un groupement A-H et un atome B pour autant que

l'lectrongativit de B et la distance A...B soient adquates. Dans le cas de la kaolinite,

une face d'une couche comporte des oxygnes considrs comme ples ngatifs, et

l'autre face des groupes hydroxyles contenant H+. Cet ion de diamtre trs faible forme

une liaison hydrogne entre les deux couches successives et elle est l'origine de leur

empilement. L'eau ne peut donc y pntrer. Ce lien est trs fort perpendiculairement aux

feuillets et faible tangentiellement. Ce type de lien puissant intervient entre la surface

d'une particule charge en O et la molcule H2O, et donne la premire couche d'eau

une structure particulire proche de la glace.

Van Der Waals : ce sont des liaisons lectromagntiques entre diples. A tout moment

il y a plus d'lectrons d'un ct du noyau d'un atome que de l'autre, d'o la formation de

diples qui se rattachent par leur ct oppos lectriquement. Les forces mises en jeu

sont faibles mais additives (d'o leur importance) et diminuent trs lentement avec la

Chapitre I


22

distance (Fig I.15). Elles sont suffisamment fortes pour dterminer l'arrangement final

de certains solides et une source majeure de cohsion dans les sols fins (Mitchell 1976).

I.6.3.2. Les forces rpulsives

L'hydratation des ions des particules argileuses oriente les molcules d'eau et gnre des

rpulsions pour les particules proches jusqu' une distance de 20 (Huret 1985).

Ces forces ont plusieurs composantes (interaction des doubles couches associes aux deux

feuillets, nergie dhydratation des cations compensateurs) (Aissa Mamoune,2009),

Figure I.15. Forces lectrostatique dans la double couche.

Figure I.16. Rpartition des ions autour de la particule charge.

Chapitre I


23

Ces deux forces dcroissent rapidement avec la distance interparticulaire. Quant la

force de rpulsion, elle diminue galement avec laugmentation de la concentration en

lectrolytes.

Les variations de concentrations en cations et en anions dans la double couche de diffuse sont

dtermines partir de lquation de Poisson-Boltzmann. A proximit de la surface charge,

la concentration en cations est plus leve que celle en anions (Fig. I.16).

I.6.3. Interactions entre les feuillets en milieu aqueux

A la surface d'un feuillet dargile en prsence deau il y a une couche ionique

ngativement charge qui tient aux substitutions ioniques et au fait que largile est forme

danions de grande taille (O2- et OH-) dans lesquels les petits cations mtalliques sont enterrs.

Cette couche extrieure est donc lgrement ngative et la charge est permanente.

Les bords des cristaux dargile ont aussi des charges ; elles ne sont pas permanentes mais

varient avec le PH, H+ en milieu acide et OH- en milieu plus alcalin, et la force ionique

(concentration en sels).

La structure cristalline de la demi-maille des feuillets de montmorillonite prsente des

substitutions crant un dficit lectronique compens par des cations hydrats qui

maintiennent llectroneutralit. La population de ces derniers peut tre spare en deux

couches : une couche de cations immobiles lies la surface, appele couche de Stern, et une

couche mobile proche de la surface, moins dense, appele couche de diffuse, la limite entre

ces deux couches tant appele plan dHelmholtz ou plan de cisaillement (Fig. I.17).

Figure I.17. Schma de la double couche lectrique et de lvolution du potentiel lectrique en fonction de la distance de la particule la solution.

Distance la particule

Chapitre I


24

Cette double couche lectrique de la particule en suspension prsente une concentration

en cation dcroissante mesure que lon sloigne de la surface du feuillet.

Au voisinage de la surface, la couche de Stern dense en cation repousse les anions par

lintermdiaire dune force lectrostatique, il existe aussi une diffrence de densit anionique,

mais cette fois, la concentration est dcroissante mesure que lon sapproche de la surface

des feuillets. Cette diffrence locale de concentration entre anions et cations cre un potentiel

lectrique, qui varie en fonction de la distance la surface de la particule. Ce potentiel not

est maximum la surface du feuillet et dcrot linairement dans la couche de Stern (Fig.

I.17).

Exprimentalement, il nest pas mesurable et seul le potentiel au plan dHelmholtz peut tre

mesur. Ensuite, force que lon sloigne du feuillet, ce potentiel dcrot de faon

exponentielle, en suivant lquation de Gouy-Chapman, et une distance infinie, ce potentiel

sannule puisquen solution, llectroneutralit est respecte.

Luckham et al, cit par Aissa Mamoune (2009), se sont intresss lpaisseur de la double

couche lectrique, et ils ont dfini les paramtres influant sur cette paisseur. Ils ont retrouv

ces paramtres travers le paramtre K de lquation de Gouy-Chapman (quation I-5).

et (I.5)

Avec :

: Valeur du potentiel la distance x du plan dHelmholtz

: Valeur du potentiel au plan dHelmholtz

K-1 : Epaisseur de la double couche lectrique

F : constance de Faraday ci : concentration de llectrolyte

zi : valeur de lion e0 : constante dilectrique du milieu

R : constante des gaz parfaits T : temprature absolue

Lquation (I.5) prsente la variation du potentiel lectrique en fonction de la distance la

surface de la particule et du milieu selon la thorie de Gouy-Chapman. Lpaisseur de la

double co

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