Stabilisation au ciment

4.3.1. Stabilisation au ciment

Dès 1915 déjà les U.S.A ont connu les premières tentatives de stabilisation au ciment dans le domaine routier. La stabilisation au ciment, en construction de bâtiments, s’est développée indépendamment en Allemagne, dès 1920. Aux U.S.A, à partir de 1935, le

sol-Page | 35 ciment est de plus en plus employé : routes, pistes d’aérodrome. Depuis lors, dans le monde entier, on ne compte plus les applications de la stabilisation au ciment autant dans le domaine des travaux publics que dans celui du bâtiment [4, 6, 7].

Le ciment fait partie des meilleurs stabilisants pour le bloc de terre comprimée. L'ajout de ciment, avant la compression, permet d'améliorer les caractéristiques du matériau, en particulier sa résistance à l'eau, par l'irréversibilité des liens qu’il crée entre les particules les plus grosses. Le ciment va agir principalement sur les sables et les graviers comme dans le béton ou dans un mortier sable-ciment. De ce fait, il est inutile, voire néfaste, d'utiliser des terres trop argileuses (> 30 %) [4].

Venuat (1980) [33], après avoir étudié l’utilisation de toutes les classes de ciment dans la stabilisation, affirme que tous les ciments normalisés conviennent pour la stabilisation des sols, mais qu’il est préférable d’utiliser les ciments de classes faibles, car une grande résistance n’est pas nécessaire. Alors que d’autres auteurs [5] suggèrent l’utilisation d’un type de ciment selon la nature du sol.

Pour un sol contenant un pourcentage d’argile élevé, il faut un ciment riche en alite C3S et

bélite C2S qui donne, après hydratation, beaucoup de portlandite, Ca(OH)2. Verdeyen conseille

le ciment pour les sols dont la teneur en argile n’excède pas 20 à 30 % (Ip < 25%) [46].

NB : Nous utiliserons tout au long de ce document la nomenclature en usage dans le domaine

des ciments avec : C : CaO ; S : SiO2 ; A: Al2O3 et H: H2O

4.3.1.1. Mécanisme de stabilisation au ciment

La poudre de ciment contient plusieurs phases différentes. Les phases principales sont: l’alite

(C3S), la bélite (C2S), l’aluminate tricalcique (C3A), l’aluminoferrite tétracalcique (C4AF) et la

périclase (MgO). Des phases mineures sont également trouvées : la chaux libre (CaO), les

sulfates de sodium et de potassium (Na2SO4 et K2SO4) [47]. Suivant les proportions de ces

éléments, les ciments présenteront des propriétés différentes. Par exemple, une forte teneur de

C3S donnera une résistance élevée, par contre un ciment à forte teneur en C3A aura une faible

résistance à l’action des eaux agressives.

Une fois que le mélange avec le sol est fait, le ciment va se dissoudre et s’hydrater si la quantité d’eau est suffisante pour former des constituants hydratés. La principale réaction

provient de l’hydratation des deux silicates de calcium (C3S et C2S) qui forment deux

nouveaux composés : la portlandite (CH) et le silicate de calcium hydraté (C -S-H :

3CaO.2SiO2.3H2O).

C2S + 2H → C-S-H + CH Equation I. 1 C3S + 3H → C-S-H + 2CH Equation I. 2

Page | 36

L’hydratation des aluminates tricalciques (C3A) dépend de la teneur en gypse du

ciment. En présence de gypse, l’ettringite est formée ce qui contribue à l’augmentation de la résistance :

C3A + 3CSH2 + 26H → C6AS Equation I. 3

En l’absence de gypse, les C3A réagissent avec l’eau pour donner C4AH13, C2AH8, et

C3AH6. Les composés C4AH13 et C2AH8 sont instables. Sous l’action de la chaleur d’hydratation,

ils se transforment en C4AH8. La phase ferrite (C4AF) réagit rapidement en présence de gypse

pour former de l’ettringite selon la réaction suivante :

C4AF + 3CSH2 + 30H → C6AS3H32 + FH3 + CH Equation I. 4

4.3.1.2. Efficacité du traitement

Ben Amor [48] dans ses travaux sur la stabilisation des argiles par un liant hydraulique,

a montré que 100g de kaolinite (100 g) fixent environ 0,3 g de Ca2+ et la même quantité de

smectite fixe entre 0,5 et 0,6 g de Ca2+. Ces quantités de Ca2+ ne sont alors plus disponibles

pour la prise du ciment. La quantité de Ca2+ libérée par 100 g de ciment (CPA 55) est

d’environ 1,2 g pendant les 6 premiers jours puis diminue à environ 0,7 g pendant les 6 jours

suivants. Ces différentes valeurs de libération et de fixation de Ca2+, pour un traitement à 40 %

de ciment et une cure de 90 jours, montrent que la smectite consomme la totalité des ions calcium libérés par le ciment alors que la kaolinite en fixe seulement les deux tiers. La

consommation de Ca2+ par la smectite a un effet bénéfique pour la dissolution de ciment mais

par contre, elle empêche sa prise.

La kaolinite, en tant qu’argile non gonflante, favorise mieux la stabilisation des sols qui la

contient car elle ne fixe pas la totalité des ions Ca2+ libérés lors de l’hydratation. L’inefficacité

de la stabilisation des sols smectitiques au ciment est attribuée : Au caractère gonflant des smectites ;

A l’affinité des argiles avec l’eau, qui empêche la cristallisation des hydrates du ciment.

Ben Amor [47] explique que l’ion Ca2+ en solution saturée s’oppose à la dissolution du ciment.

Guettala [49] a montré dans ses travaux que les sols argileux dont le passant à 2 μm est

compris entre 20% et 50% ne permettent pas d’obtenir l’insensibilité à l’eau des BTC. Quel que soit le dosage en ciment (de 3% à 15% de CPA), la résistance à la compression simple après une immersion de 1 j (précédée d’une cure dans une atmosphère humide d’une durée de 27 j) est quasiment nulle alors que les sols composés seulement d’illite ou d’un mélange kaolinite/illite conservent des résistances mécaniques importantes :

0,2 à 0,4 MPa avec 3% de ciment

1 MPa est dépassé pour 10% de ciment dans le cas du mélange kaolinite/illite. Le Roux [50] propose un classement : kaolinite > illite > smectite en ce qui concerne l’aptitude à la stabilisation par le ciment.

La meilleure efficacité est obtenue par une compression à l’état humide. Les meilleures résistances à la compression sont atteintes avec des graves et des sables plutôt qu’avec des

Page | 37 limons et des argiles [4]. Ceci confirme les résultats obtenus par Walker (1997) [51] qui indiquent que la résistance à la compression du bloc de terre comprimée stabilisée au ciment diminue avec l'augmentation de la teneur en minéraux argileux (Figure I. 24)

Figure I. 24 : Influence de la teneur en ciment sur la résistance à la compression du bloc de terre comprimée stabilisée au ciment [50].

La résistance en compression reste très dépendante du dosage, 8% de ciment constitue souvent une limite supérieure économiquement acceptable [5]. Gooding (1993) [52] stipule que le bloc de terre stabilisée avec 3 à 12% en masse de ciment est la formulation la plus courante. Heathcote (1994)[53], montre que la teneur minimale au-dessous de laquelle la résistance est indépendante de la quantité de ciment employée est de 0,75%. Ceci n’est pas en accord avec les résultats d’autres chercheurs qui stipulent qu’une valeur comprise entre 5 et 12% est mieux adaptée. Par exemple, Walker (1995) [54] indique que les blocs comprenant moins de 5% de ciment sont souvent trop friables pour être manipulés. Plus tard, Walker (1996) [55] reconnaît que la teneur en argile du sol doit être comprise entre 5 et 20%, la teneur en ciment entre 4 et 10% et l'indice de plasticité du sol entre 2,5 et 30%.