Essai de percolation

Les circulations d’eau dans les ouvrages sont des phénomènes qui sont responsables du transfert des polluants de l’ouvrage vers le milieu naturel. Pour simuler ces circulations, des essais de perméabilité ont été réalisés. Le dispositif expérimental de cet essai a été inspiré des travaux de Le Runigo (2008) et est présenté sur la Figure 65. Les éprouvettes de sol (compactées ou compactées traitées) sont mises dans des cellules en plexiglas et confinées dans des membranes en latex. Une pression latérale de confinement de 20 kPa est appliquée. À la base et au sommet de l’éprouvette, un géotextile est positionné afin de retenir les agrégats qui pourraient se détacher. De l’eau déminéralisée, avec une conductivité électrique de 2 µS, est injectée de bas en haut. La pression d’injection est de 5 kPa, ce qui correspond à une hauteur d’eau de 50 cm. La température de l’eau et de la salle est maintenue à 20°C tout au long de l’essai. La mise en cellule des éprouvettes est synthétisée sur la Figure 66.

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Figure 66: Mise en cellule des éprouvettes pour l’essai de percolation

Préparation des éprouvettes mises en percolation

Les sols soumis à cet essai ont été compactés à différentes énergies de compactage et/ou traités (au ciment ou à la chaux) pour reproduire les opérations que subissent les matériaux réutilisés en techniques routières afin d’améliorer leurs performances suivant le Guide Technique pour le traitement des sols à la chaux et/ou aux liants hydrauliques (GTS). L’objet de ces essais donc est de comprendre l’influence des opérations géotechniques sur le relargage des polluants.

La confection des éprouvettes nécessite la connaissance du comportement du sol au compactage. Plusieurs types de compactage ont été réalisés sur le sol non traité. Le premier correspond au compactage le plus utilisé sur les chantiers à savoir celui de l’essai Proctor Normal. Afin de mettre en évidence l’évolution de l’indice des vides des matériaux compactés en fonction de l’énergie de compactage, la densité du sol a été mesurée pour différentes énergies de compactage. L’énergie de compactage a pu être modifiée en s’appuyant la formule donnée dans la norme NF P94-093 (2014).

Énergies de compactage = (N H md g) / V 2.7

où N est le nombre total de coups ; H est la hauteur de chute de la dame ; md est la masse de la dame ; g est l'accélération de la pesanteur ; V est le volume du matériau compacté dans le moule.

Pour faire varier l’énergie de compactage, il suffit de modifier le nombre de coups par couche et nous avons ainsi obtenu les valeurs représentées dans le Tableau 11.

Tableau 11: Propriétés des compactages à différentes énergies

Échantillon Nombre de couches ^{Nombre de coups}

par couche Énergie de compactage (kN.m/dm3) ½ OPN 3 28 0.3 OPN 3 56 0.6 ½ OPM 5 28 1.3 OPM 5 56 2.7

Pour les essais de percolation, nous avons choisi de préparer des éprouvettes compactées à l’OPN et l’OPM (sol non traité) et 100% de la teneur en eau de leur optimum. Des éprouvettes de sol traité au CEM II 5% ou traité à la chaux 1% puis compactés à l’OPN et 100% de la teneur en eau de leur optimum sont également testées.

Le protocole appliqué est très proche de celui utilisé pour réaliser les essais Proctor.

La première étape consiste à humidifier le matériau (sol sous-échantillonné) à la teneur en eau souhaitée et à bien le mélanger avec un malaxeur à couteaux puis le conserver pendant 24 h dans un sac en plastique de manière à homogénéiser la teneur en eau de ce matériau.

Dans le cas d’un sol traité, le sol est repris dans le malaxeur au bout de 24 h, pour y incorporer le liant. L’action de la chaux nécessite du temps et par conséquent l’attente est de 1h entre le traitement et le moulage. En revanche, pour le traitement au ciment, la réaction hydraulique est plus rapide et le moulage des éprouvettes se fait aussitôt après le traitement. Dans le cas d’un sol non traité, le moulage se fait juste après les 24h d’humidification.

Un compactage double statique a été choisi pour le moulage des éprouvettes destinées à l’essai de percolation. Les dimensions des éprouvettes (100 mm de diamètre et 100 mm de hauteur) ont été choisies par rapport au diamètre maximum des grains qui composent le sol compacté (soit 20 mm). La cure appliquée sur le sol traité au ciment ou à la chaux est réalisée à une température de 20 °C. Les éprouvettes sont protégées de l’air (paraffinage) dans le but de conserver la teneur en eau de moulage. Le paraffinage permet également d’éviter la carbonatation de la chaux au sein des éprouvettes. Les essais de percolation sont mis en route après 28 jours de cure.

Avant de mettre les éprouvettes à l’essai, leur profil de densité est observé au moyen du banc gamma. Le but étant voir si le compactage est homogène sur tout le long de l’éprouvette.

114 Lancement de l’essai

Des mesures au banc gamma ont été réalisées sur les éprouvettes avant le début des essais de percolation pour s’assurer que les éprouvettes testées sont relativement similaires et homogènes (homogénéité validée).

Une fois que les éprouvettes sont mises en place dans le dispositif de percolation, le système d’alimentation en eau est ouvert mais pas le robinet de sortie. Cela permet de « saturer » l’éprouvette dans un premier temps (une saturation complète n’a pas pu être vérifiée). Au bout 24 à 48h, le robinet de sortie de l’eau est ouvert et les percolats sont récupérés de manière régulière. Nous n’avons pas imposé un volume ou un temps fixe pour la récolte des percolats compte tenu de la variabilité qui peut survenir au niveau des comportements entre éprouvettes (même si on les suppose identiques). Pour gérer les absences, les week-ends ou les vacances (système non automatisé), le système a pu subir des arrêts (fermeture des robinets d’entrée et de sortie). Ces phases d’arrêt ont un impact d’ores et déjà connu à l’origine par exemple de saut au niveau de la conductivité. Les pannes électriques (déconfinement des éprouvettes) peuvent également générer des anomalies au niveau du suivi des éprouvettes (le suivi a duré généralement plus de 6 mois) et on a décidé d’arrêter l’essai lorsque le rapport L/S atteint 2L/kg. Des essais sont malheureusement encore en cours en fin de thèse compte tenu des faibles perméabilités caractéristiques des éprouvettes testées.

Les volumes de percolats récupérés entre le moment t1 et t2 (date et heure notées) ont été pesés pour estimer leur quantité ce qui a permis d’évaluer l’évolution de la perméabilité avec le temps. La conductivité, le pH et les sulfates ont été mesurés sur chaque percolat et certains percolats ont été analysé par ICP/OES (5 par éprouvettes testés). Pour faciliter la comparaison des éprouvettes testées qui sont différentes les unes des autres (différents compactage avec ou s ans traitement), les analyses en percolation sont présentées non pas en fonction du temps de percolation mais en fonction du volume percolé exprimé en nombre de volume poral traversé. Le volume porale traversé représente le volume d’eau percolé/ volume des vides. Le volume des vides est obtenu suivant la formule (Véprouvette×Indice des vides) / (Indice des vides+ 1) et l’indice des vides est calculé pour différentes énergies Proctor (voir le chapitre 4.3) en rapportant le pourcentage des vides contenus dans une éprouvette au volume de l’éprouvette. Cette représentation permet de comparer les éprouvettes lessivées pour des nombres de volumes poraux identiques (lessivage identique)

Une étude des éprouvettes après percolation était initialement programmée : lyophilisation des éprouvettes (méthode de séchage), mesure de la granulométrie et sédimentométrie pour voir

l’évolution de la taille des particules (qui peut évoluer lors du compactage ou du relargage des éléments solubles comme le gypse), passage au banc gamma (modification de la densité entre l’amont et l’aval des éprouvettes), mesure de Rc (pour vérifier si le lessivage entraîne une modification de la tenue mécanique) et observation de la microstructure par microscopie et porosimétrie complétée par une cartographie de fluorescence X). Cependant cette étape n’a pu être réalisée faute de temps.

Figure 67: Les étapes lors de l’essai de percolation 2.6.3 Développement d’un nouvel essai : essai d’immersion

Compte tenu de la faible perméabilité des éprouvettes, les essais de percolation tels que dimensionnés sont à leur limite. Pour comparaison avec l’essai de percolation où un fluide est poussé à travers l’éprouvette, un essai d’immersion statique des éprouvettes compactées/traitées (en monolithe) a été mis en place.

Le but de l’essai est de reproduire des conditions réelles d’un remblai ou d’une couche de forme inondée. Les sols, quand ils sont mis en couche de forme ou en remblai, subissent des opérations qui leur procurent une fois mis en place des perméabilités moyennes à faibles, comme on a pu le constater lors de l’essai de percolation.

116 Dans ce cas, les mécanismes de lixiviation mettent en jeu :

 la diffusion (à travers les pores et/ou à partir de la surface jusque dans la masse du lixiviant) ;

 le lessivage initial des surfaces ;

 d'autres processus (comme la solubilisation/dissolution, les changements de spéciation,…). Les essais de lixiviation et percolation testés auparavant n’étaient pas adaptés pour reproduire ces mécanismes.

Le principe de l’essai d’immersion est de déterminer, en fonction du temps, le relargage de substances par des éprouvettes de sol avec un lixiviant (l’eau déminéralisée) en contact avec la surface de ce dernier. Le principe de l’expérimentation a été inspiré de la norme CEN/TS 16637-2 (2014). L’éprouvette est placée dans un réacteur/récipient de lixiviation et la surface exposée est complètement immergée dans un lixiviant. Le rapport L/S choisi est de 10L/kg.

Pour les deux sols (Ivry et Boulogne), les éprouvettes testées sont présentées sur la Figure 68

Figure 68. Éprouvettes testées au cours de l'essai d'immersion

Nous avons donc choisi de travailler avec des éprouvettes du sol non traité et compacté à l’optimum Proctor Normal, du sol traité à 5% de ciment et du sol traité à 1% de chaux. Ces éprouvettes de sol font 10 cm de diamètre et 20 cm de hauteur pour une masse sèche de matériau d’environ 3 kg. Les éprouvettes de sol sont disposées dans des contenants séparés (des seaux avec couvercles) d’un volume d’environ 30 L de manière à laisser au moins 5 cm de distance avec les bords. L’éprouvette est également immergée sous au moins 5 cm d’eau.

Traité à 1% de chaux