Essais de retrait volumique

Dans le cadre de ce projet, des essais de retrait sans fissuration ou retrait non contraint (ou encore essai de dessiccation libre) ont été effectués. L’objectif de l’essai est d’évaluer le comportement au retrait des matériaux lorsqu’ils sont soumis seulement à une dessication à l’air libre à la suite de l’évaporation. Les essais ont été faits sur la fraction granulaire passant le tamis 4,75 mm avec l’utilisation de moules cylindriques de 5 cm de diamètre et 2 cm de hauteur (figure 3-8). Le principe de l’essai consiste à effectuer plusieurs mesures successives de la teneur en eau massique et du changement de volume d’un échantillon, de l’état de saturation à l’état sec.

a) b)

c) d)

Figure 3-8: Illustration des moules utilisés pour l’essai de retrait

Le volume du moule, la teneur en eau initiale de l’échantillon et la densité spécifique des grains solides du matériau ont été utilisées pour estimer la masse de la matière humide nécessaire à placer dans le moule pour s’assurer des conditions de saturation.

En effet le degré de saturation d’un sol peut être exprimé en fonction de la teneur eau (w), de la densité relative des grains solides (Dr) et de l’indice des vides (e) selon l’expression suivante : S_r = ^wDr

e (3.13)

A la saturation (𝑆_𝑟= 1), l’indice des vides est exprimé comme suit :

e = wD_r (3.14)

Or, l’indice des vides est obtenu par la formule suivante : 𝑒 = ^𝑉𝑣

𝑉_𝑠 = ^{𝑉− 𝑉𝑠}

𝑉_𝑠 (3.15)

Le volume initial de l’échantillon qui correspond au volume du moule (V) étant connu, le volume des solides Vs nécessaire pour remplir ce moule peut être déterminé à partir de l’équation 3.16, comme suit :

V_s = ^V

1+ e (3.16)

On sait par ailleurs que : ρ_s = ^Ms

Vs = D_rρ_w (3.17)

Où s et w sont respectivement les masses volumiques des particules solides et de l’eau.

La masse de solides est déduite de cette dernière relation comme suit :

M_s = V_sD_rρ_w (3.18)

Finalement la masse humide (Mh) initiale est obtenue par l’expression suivante :

M_h = M_s(1 + w) (3.19)

En combinant les équations 3.14, 3.16, 3.18 et 3.19, on obtient finalement : M_h = ^{𝑉 (1+𝑤) 𝐷𝑟 ∗ 𝜌𝑤}

1+𝑤𝐷𝑟 (3.20)

Pour la mise en place des échantillons, les moules sont tapissés d’une mince couche de graisse sur le pourtour intérieur. Cet enduit de graisse permet d’éviter que les échantillons se collent sur les parois internes des moules. Après enduisage de leurs parois intérieures, les moules sont pesées (masse Mm) ) ; ensuite ils sont remplis de matériaux, avec une quantité qui dépasse légèrement la hauteur du moule, en utilisant une cuillère plate. Lors du remplissage, le moule est tapoté légèrement sur les côtés pour éviter le piégeage de poches d’air dans le matériau et obtenir en même temps un remplissage uniforme de toutes les parties. Le matériau en excès est délicatement enlevé par rasage de la surface en utilisant une barre d’acier ; ceci permet un lissage de la surface du matériau et de faire correspondre le volume initial de l’échantillon, de façon très précise, au volume intérieur du moule connu. Une serviette humide (ou du papier essuie-tout) est utilisée pour enlever soigneusement le matériau résiduel à la surface du moule. La masse de chaque moule graissé étant connu, la pesée immédiate après mis en place de l’échantillon (masse total Mt) permet de déduire la masse humide de l’échantillon Mh (par la différence Mh = Mt – Mm) et de la vérifier par rapport à la masse humide initiale à atteindre pour s’assurer des conditions initiales de saturation. Si la masse initiale à atteindre n’est pas obtenue, des actions sont prises pour qu’elle le soit, soit en ajoutant, soit en enlevant une petite quantité de matériau dans le moule selon que la masse est inférieure ou supérieure à la masse initiale à atteindre.

Après la mise en place des échantillons, ceux-ci sont soumis à la dessiccation à l’air libre en les exposant aux conditions du laboratoire. Par la suite, on se fixe des intervalles de temps pour déterminer la masse du moule contenant l’échantillon, c’est-à-dire la masse totale. Le volume de l’échantillon est également déterminé aux mêmes intervalles de temps. Ce volume est obtenu soit en mesurant les dimensions (épaisseur et diamètre) de l’échantillon à l’aide du vernier, soit en procédant par une pesée sous l’eau lorsque l’échantillon peut être retiré du moule sans être endommagé.

Lors de la détermination du volume par la pesée sous l’eau, l’échantillon retiré du moule est pesé, avant d’être enduit de paraffine de masse volumique. Pendant le paraffinage, on fera attention à ce que tout l’échantillon soit recouvert de paraffine. L’échantillon est plongé dans la paraffine liquide (contenu dans un récipient) en l’agitant pour décrocher les bulles d’air qui pourraient y adhérer.

Cette opération est exécutée assez rapidement pour éviter la pénétration de la paraffine dans l’échantillon surtout si celui-ci est “ouvert”. Après solidification de la paraffine, on vérifie si des bulles d’air ne sont pas restées incluses. Dans ce cas, elles sont crevées et les trous ainsi créés dans la pellicule de paraffine, rebouchés à l’aide d’un pinceau. Ensuite, une deuxième couche de paraffine est déposée par un nouveau trempage. L’échantillon paraffiné est pesé ; la masse de la paraffine (Mp) est obtenue en faisant la différence entre la masse de l’échantillon avant paraffinage et celle obtenue après paraffinage. Par la suite, l’immersion de l’échantillon dans l’eau permettra de déterminer le volume de l’échantillon paraffiné ; et d’en déduire le volume de l’échantillon de sol humide connaissant la masse volumique de la paraffine.

Avec le principe d’Archimède, la masse de l’échantillon immergé est la différence de la masse de l’échantillon dans l’air et de la masse du liquide déplacé.

M_hp−imm = M_hp−air− ρ_w∗ V_hp (3.21)

V_hp= ^{Mhp−air− Mhp−imm}

ρw (3.22)

où Vhp est le volume de l’échantillon humide paraffiné, Mhp-air la masse de l’échantillon humide paraffiné pesé à l’air libre, Mhp-imm la masse de l’échantillon humide paraffiné pesé après immersion et ρw la masse volumique de l’eau.

Le volume de l’échantillon humide sera finalement obtenu par :

V_h = V_hp− V_p (3.23)

où Vp est le volume de la paraffine obtenu par : V_p= ^Mp

ρ_p = ^{Mhp−air− Mh}

ρ_p (3.24)

Avec : Mp la masse de la paraffine, Mh la masse de l’échantillon humide seul et p est la masse volumique de la paraffine.

Ces différentes mesures permettront de déduire la teneur en eau et l’indice des vides de l’échantillon à chaque phase de séchage i. La fonction e(w) représentera alors la courbe de retrait.

Il faut noter que tant que l’échantillon est saturé en eau, cette fonction e(w) est une droite définie par l’équation 3.15 définie ci-dessus. Les essais de retrait ont porté sur les matériaux donnés dans le tableau 3.4.

Tableau 3.4: Liste des essais de retraits effectués

Matériaux β (%)

Boues Westwood -

Boues Waite-Amulet -

MSB till-boues Westwood 30 ; 40 ; 50

MSB sable-boues Westwood 30 ; 40 ; 50