4. Caractérisation en géotechnique routière
4.3. Paramètres de compactage et portance
La densité apparente finale d’un sol compacté dépend de la nature de celui-ci, de la teneur en eau et de l’énergie de compactage. Le compactage permet de resserrer la texture du sol, de réduire ses déformations, d’améliorer sa portance et sa résistance. Pour un sol donné et pour un mode de compactage déterminé, il existe une seule teneur en eau correspondant à la densité maximale. S’il n’y a pas assez d’eau, la lubrification entre les grains n’est pas assurée. S’il y a trop d’eau, les grains solides glissent les uns sur les autres et ne peuvent plus se placer afin d’occuper la place minimale ; de plus, l’eau prend la place des vides et absorbent une partie de l’énergie de compactage. Pour une couche de forme, la
a b
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teneur en eau optimale et la densité correspondante sont déterminées par l’essai Proctor Normal.
D’autre part, en géotechnique routière, les sols ou les éventuels matériaux d’apport sont la plupart du temps traités au liant ou à la chaux pour augmenter leurs performances mécaniques. L’action des traitements n’étant pas instantanée, il est nécessaire de s’assurer immédiatement après compactage que le sol présente une portance suffisante pour permettre la circulation des engins de chantier. Cette propriété est évaluée à l’aide de l’Indice Portant Immédiat (IPI) [GTS, 2000].
4.3.1. Essai Proctor Normal 4.3.1.a. Principe
Pour connaître la teneur en eau permettant d’obtenir le compactage optimal, l’ingénieur américain Proctor a proposé dans les années 30 un essai qui a été rapidement adopté par l’ensemble de la communauté des géotechniciens. En France, elle fait l’objet de la norme NF P94-093. L’essai consiste à compacter suivant un processus bien précis un sol en plusieurs couches dans un moule puis à mesurer sa teneur en eau w (%) et sa densité sèche ρd (g/cm3). La courbe ρd = f(w) présente un maximum qui correspond à la teneur en eau et la densité optimale de compactage (wOPN et ρdOPN) [Venuat, 1980].
4.3.1.b. Protocole
Pour cet essai, on utilise un moule en acier appelé « moule CBR », placé sur une embase et muni d’une hausse (Figure 15). Un disque d’espacement est disposé au fond du moule. Les différentes pièces étant assemblées, le matériau, préalablement malaxé avec une certaine quantité d’eau, est introduit dans le moule en 3 fois. Entre chaque ajout, on procède à un compactage de la couche avec une dame en respectant un protocole suivant : 55 coups par couche, appliqués par séries de 7 comme indiqué figure 16-a. A la fin de l’essai, la hausse est retirée et on arase la surface du moule. Connaissant sa masse et son volume (dimensions normalisées : ∅ = 152 mm ; H = 126,6 mm), on peut déterminer la masse volumique humide ρh du matériau compacté. La teneur en eau, obtenue par étuvage à 105°C, permet ensuite de calculer sa masse volumi que sèche ρd. En faisant varier les teneurs en eau, on trace la courbe ρd = f(w) et on détermine son maximum.
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Figure 15 : Matériel de l’essai Proctor Normal
Figure 16 : a) Protocole de compactage ; b) Aspect du moule à la fin de l’essai
Lors du projet Demoroute (cf. Partie I – §6.2.3), un essai similaire avait été mis en œuvre par Eurovia sur un mélange composé de 93 % de STN et 7 % de liant. La densité maximum avait été obtenue pour une teneur en eau légèrement supérieure à 31 %. Nous avons donc ciblé des teneurs en eau autour de cette valeur. Concernant le malaxage, nous nous sommes aperçu qu’il influençait fortement la consistance de la mouture. Aussi, pour tous les essais, nous avons utilisé la même vitesse et le même temps de malaxage (4 minutes).
Les résultats de l’essai sont présentés §4.3.3.
4.3.2. Détermination de l’IPI 4.3.2.a. Principe
L’indice Portant Immédiat d’un sol compacté est déterminé par un essai de poinçonnement avec un piston de 19,3 cm2 de section, enfoncé à la vitesse constante de 1,27 mm/min, conformément à la norme NF P94-078. Par convention, l’IPI est la plus grande des 2 valeurs suivantes :
Embase
Disque d’espacement
Moule CBR Dame de compactage
Hausse
1 2
3 4 5 6
7
a b
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Effort de pénétration à 2,5 mm d'enfoncement (en kN)×100 13,35
Effort de pénétration à 5 mm d'enfoncement (en kN)×100 20
Elle est généralement exprimée sans unité. La capacité portante d’un sol est d’autant meilleure que l’IPI est élevé.
4.3.2.b. Protocole
L’essai de poinçonnent est effectué immédiatement après l’essai Proctor. Pour préparer l’échantillon, on retourne le moule CBR, on retire le disque d’espacement (ce qui permet d’obtenir une surface plane) et on replace l’ensemble sur l’embase.
Nous avons utilisé une presse de la société Wykeham Farrance d’une capacité de 50 kN.
Le poinçon est monté sur un anneau dynamométrique de 50 kN, préalablement étalonné. La précision de la mesure de la force est de 21 N. Un comparateur au 100e de millimètre disposé entre le piston et le moule permet de connaître la valeur de l’enfoncement (Figure 17). Une fois l’échantillon correctement centré sur le plateau de la presse, le poinçon est mis en contact avec le matériau afin de régler le comparateur à zéro. Ensuite, le plateau de la presse est actionné à la vitesse constante de 1,27 mm/min et on relève les forces qui correspondent aux valeurs d’enfoncement de 2,5 mm et 5 mm.
En traçant sur le même graphe la courbe IPI = f(w), il est possible de déterminer la portance du matériau à l’optimum Proctor.
Figure 17 : Dispositif de l’essai de poinçonnement
Anneau
dynamométrique
Poinçon
Comparateur
Moule CBR contenant l’échantillon
Chapitre 2 – Caractérisation des sédiments traités 0,24 %. Quant à l’IPI, il est difficile de calculer son incertitude de mesure étant donné que le déplacement et la force sont déterminés par lecture des comparateurs sans interruption de l’essai.
Figure 18 : Essai Proctor Normal : évolution de la masse volumique sèche et de la portance en fonction de la teneur en eau
La masse volumique sèche à l’optimum Proctor (ρdOPN) déterminée par lecture graphique est de 1,33 g/cm3 pour une teneur en eau (wOPN) de 30,6 %. La portance à l’optimum est de 26.
4.3.3.b. Commentaires et interprétations
La faible pente de la courbe pour w > wOPN est caractéristique des matériaux drainants.
Expérimentalement, du ressuage a été systématiquement observé pour w > 31,5 % ce qui explique qu’il n’a pas été possible d’obtenir des points pour des teneurs en eau supérieures à cette valeur. Les paramètres Proctor des STN ne correspondent pas à ceux d’un sol
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paramètres de compaction d’une cendre volante qui présentent une masse volumique ρdOPN
de l’ordre de 1,2 g/cm3 pour une teneur en eau wOPN d’environ 30 % [Pandian, 2004], [Afechkar & Nahhass, 2006].
Enfin, concernant la portance à l’optimum Proctor (IPIOPN = 26), son interprétation dépend du positionnement du matériau dans la classification du GTS, précisé dans la conclusion ci-après. Nous reviendrons donc sur cet aspect dans le paragraphe suivant.
4.4. Conclusion
Comme nous l’avions observé précédemment, les STN se présentent après concassage comme un matériau particulièrement fin (C80 = 72 %). Cependant, leur répartition granulométrique est très étalée entre 0,4 µm et 2 mm (Cu = 13,2). En ce qui concerne leur argilosité, les 2 essais mis en œuvre (limites d’Atterberg et essai au bleu) ont mis en évidence qu’ils possédaient un caractère totalement non plastique. Cela est la conséquence du procédé Novosol® qui neutralise les argiles initialement contenues dans les sédiments bruts. Les paramètres de compaction de l’essai Proctor Normal révèlent que la masse volumique sèche compactée des STN est relativement faible (ρdOPN = 1,33 g/cm3) pour une teneur en eau élevée (wOPN = 30,6 %).
D’après la classification du GTR pour les sols ou Dmax≤ 50 mm, les STN se positionnent dans la classe A1 (Figure 19). Cette catégorie rassemble les limons peu plastiques, loess, silts alluvionnaires, sables fins peu pollués, arènes peu plastiques [GTR, 2000].
Figure 19 : Positionnement des STN dans la classification des sols du GTR
STN
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Pour être utilisé en couche de forme, un sol de classe A1 doit présenter un IPI à l’optimum Proctor ≥ 20 [GTR, 2000]. Concernant les STN, nous avons vu que IPIOPN = 26 donc leur valorisation en couche de forme est possible, et surtout, elle ne nécessite pas d’ajout de matériau complémentaire.
Nous allons maintenant développer l’étude d’une propriété particulière des STN, à savoir leur activité pouzzolanique.