Cycles gel/dégel et humidification/séchage

Jamshidi et al. (2014) ont étudié l'influence des cycles de gel/dégel sur les propriétés mécaniques et

hydraulique d'un mélange sol-ciment. Les échantillons testés sont constitués d'un sable limoneux et

de ciment Portland (E/C = 2,7 ; teneur en ciment = 10 %).

Figure I-50 Variation de la conductivité hydraulique a) et de la résistance mécanique b) en fonction du

nombre de cycles de gel/dégel (Jamshidi et al. 2015).

Les résultats montrent une augmentation considérable de la conductivité hydraulique (× 1000 au

terme des cycles), qui se traduit également par une chute des résistances mécaniques après 4 et 12

cycles de gel/dégel (Figure I-50). L'auteur souligne par ailleurs le rôle important de l'état de

maturation des bétons de sol avant l'exposition aux cycles et de la température choisie pendant la

phase de gel. Il est intéressant de noter que l'utilisation de méthodes non destructives (fréquence de

résonnance) détecte une modification structurale dès le premier cycle de gel/dégel, ce qui montre

tout l'intérêt de ce type de mesure pour suivre la dégradation au fil des cycles (Jamshidi et al. 2015).

Figure I-51Variation de la résistance en fonction du nombre de cycles humidification/séchage a) et en

fonction du nombre de cycles gel/dégel b) (Shihata et Baghdadi 2001)

.

b)

a)

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Shihata et Baghdadi (2001) ont étudié la résistance et la durabilité de sables limoneux compactés et

traités avec un ciment résistant aux sulfates (type V). Ces chercheurs ont choisi de suivre la norme

ASTM D 559 en soumettant des éprouvettes de béton de sol soit à 12 cycles humidification/séchage,

soit à 12 cycles de gel/dégel. Les cycles sont lancés après différents temps de maturation dans de

l’eau salée et en complément des essais de caractérisation mécanique sont réalisés. Les résultats

montrent que la résistance en compression continue d'augmenter jusqu'à 90 jours malgré

l'exposition à l'eau salée. Au-delà de 90 jours, la résistance chute et converge à partir de 270 jours

(Figure I-51). Bien que les valeurs à 28 et 180 jours soient manquantes, la même tendance est

observée pour les cycles de gel/dégel.

La norme ASTM D 559-89 est a priori la seule recommandation en termes de durabilité pour les

mélanges sol-ciment. Cette norme intitulée "Standard Test Methods for Wetting and Drying

Compacted Soil-Cement Mixtures" propose de soumettre des échantillons de forme cylindrique

(Ø = 101,6mm et ht = 116,4mm) à 12 cycles humidification/séchage. Chaque cycle est composé d'une

immersion dans l'eau de 5 heures suivie d'un séchage de 42 heures dans une étuve à 71 °C. À la fin

de chaque cycle certains échantillons sont soumis au passage d’une brosse métallique afin

d'accentuer la dégradation (Figure I-52).

Figure I-52 Brossage selon la norme ASTM D559 (Tayabji, 2016).

La mesure de la perte de masse de l'échantillon donne ainsi une indication sur la durabilité du

matériau, et en complément une comparaison est effectuée avec des échantillons soumis aux

cycles H/S sans brossage. Cette norme est cependant comme son nom l'indique plutôt adaptée aux

mélanges sol-ciment compactés à faible teneur en eau et le passage de la brosse métallique reste

une méthode empirique (force appliquée non maitrisée).

Figure I-53Mélanges sable-ciment exposés à un nombre variable de période d'immersion sur une

durée de 28 jours : a) propriétés mécaniques et b) éprouvette après rupture (Park, 2010).

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Dans la littérature, l'influence des cycles H/S est généralement plutôt étudiée comme un type de

cure. Une étude menée par Park et al. (2010) s'intéresse notamment à un sable faiblement cimenté

(4, 8, 12 et 16 % de ciment) utilisé comme matériau dans la construction de barrages et de murs de

soutènement en Corée. Ces ouvrages étant potentiellement exposés à des variations du niveau de la

nappe, ou à des précipitations par intermittence, les échantillons sont soumis immédiatement après

compactage à un nombre variable de période d'immersions (24 heures dans l'eau) et de cure à l'air

sur une durée totale de 28 jours (Figure I-53.a). Les résultats montrent qu'à partir de 8 % de ciment,

les cycles H/S ont un effet favorable sur la valeur du module d'élasticité et la résistance en

compression. Pour les deux dosages en ciment les plus élevés, une légère chute de résistance est

néanmoins observée au-delà de 3 cycles H/S. Cette chute est attribuée à la fois au lavage des

produits cimentaires et à une quantité d'eau insuffisante pour satisfaire l'hydratation du ciment.

Figure I-54 Influence des conditions de cure sur la résistance a) et le module d'élasticité statique b) de

mélanges sol-ciment (Guimond-Barrett, 2013).

Les murs de soutènement sont sans doute les ouvrages en béton de sol les plus exposés au séchage,

notamment suite à la phase d'excavation. Une campagne expérimentale relativement récente s'est

donc intéressée à l'influence d'une exposition à l'air du matériau sur ses propriétés mécaniques.

L'étude porte sur des bétons de sol confectionnés en laboratoire à partir de sable de Fontainebleau,

de limon artificiel (70 % de sable siliceux broyé et 30 % de kaolinite), et de CEM III/C. Les éprouvettes

sont exposées aux cycles H/S et à l'air après 7 jours de conservation dans l'eau. Les résultats

montrent que le séchage inhibe le développement des résistances mécaniques et fait

considérablement chuter la valeur du module d'Young surtout pour les mélanges limon-ciment

(Figure I-55). Les cycles H/S soulignent en revanche l'effet favorable de la phase d'immersion qui

permet aux bétons de sol de poursuivre leur hydratation et qui se traduit par une augmentation des

propriétés mécaniques.

Figure I-55 Courbes contrainte-déformation en fonction du type de cure pour différents mélanges : a)

sable-ciment et b) limon-ciment (Le Kouby et Guimond-Barret 2015).

a) b)

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Pendant les cycles H/S, la phase de séchage induit à l'inverse une microfissuration importante du

matériau à l'origine de la chute des propriétés mécaniques et d'une augmentation de la ductilité du

matériau (Figure I-55).

Dans le domaine des traitements de sol de surface, les industriels recherchent souvent des solutions

permettant de garantir une certaine durabilité sans avoir à effectuer d'essais à long terme. Zhang et

Tao (2008) ont essayé de corréler la durabilité de sols faiblement plastique mélangés avec du ciment

avec des paramètres mécaniques ou physiques facilement accessibles. Les résultats montrent que les

mesures diélectriques ou, la résistance à 7 jours permettent d’estimer la durabilité aux cycles

humidification/séchage. Les tests de durabilité étant souvent long à réaliser les entreprises routières

préfèrent se baser sur la résistance en compression à 7 jours (Zhang et Tao 2008). Lorsque des

cycles H/S sont effectués, une perte de masse inférieure à 7 % est utilisée comme critère de

durabilité dans le cas des mélanges argile maigre-ciment (Figure I-56).

Figure I-56Perte de masse après une exposition aux cycles humidification/séchage: a) selon le

dosage en ciment et b) le rapport E/C (Zhang et Tao 2008).

En traitement de sol, les méthodes de dimensionnement qui permettent de choisir et fixer la teneur

en liant sont limitées par les réactions relativement complexes se produisant entre l'argile et les

différents types de liant. Certaines études proposent d'évaluer la durabilité de mélanges sol-chaux en

exposant des échantillons à divers cycles H/S suivant la norme ASTM 559. Les résultats montrent que

le risque de dégradation par fissuration augmente proportionnellement à l'indice de plasticité du sol

(Chittoori et Puppala 2012).

Figure I-57 Influence du type d'argile sur la résistance de mélanges sol-ciment face aux cycles H/S

(Chittoori et Puppala 2012).

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La Figure I-57 souligne par ailleurs l'influence de la minéralogie de l'argile sur le comportement des

sols traités face aux cycles H/S. Les variations volumiques importantes et le faible nombre de

cycles H/S auxquels le matériau résiste montre notamment l'effet néfaste de la montmorillonite.

Dans le document Comportement thermo-hydro-mécanique et durabilité des bétons de sol : influence des paramètres de formulation et conditions d'exposition. (Page 58-62)