Traitements des sols

Le traitement consiste à incorporer un liant dans le sol, dans le but d’améliorer ses propriétés physiques à court terme (sensibilité à l’eau et au gel ou sa plasticité), ou d’améliorer ses propriétés mécaniques à moyen et long termes. Ce procédé permet de valoriser des matériaux aux caractéristiques médiocres dans les domaines allant de la voirie légère aux infrastructures plus lourdes (autoroutes, LGV, aéroport…).

La technique du traitement des sols en France est encadrée par une codification adaptée. Le guide de traitement des sols pour la réutilisation en remblai ou en couche de forme (GTS, SETRA/LCPC, 2000) liste l’ensemble des actions à réaliser en fonction de l’avancement des projets pour l’utilisation de ces matériaux.

 Les produits de traitement et leurs actions sur les sols humides

Il existe plusieurs produits aux propriétés liantes utilisés dans le traitement des sols en techniques routières. Les plus courants sont la chaux et les liants hydrauliques (utilisés séparément ou combinés). La chaux seule est généralement utilisée en petite quantité (~1% de matière sèche) pour une amélioration des performances à court terme. L’utilisation du ciment dans des volumes plus importants (~5%) permet une amélioration durable des performances mécaniques. Quand les sols présentent une activité argileuse importante, il est généralement nécessaire de coupler ces deux traitements.

a. La chaux

La chaux vive CaO provient de la calcination du carbonate de calcium à une température supérieure à 900°C. Cette opération se fait suivant l’Equation 1.3 (Lemaire, 2012).

58 L’ajout de chaux vive à un sol humide conduit à la formation d’oxyde de calcium (portlandite) suivant une réaction exothermique représentée par l’Équation 1.4. Une fois formée, la portlandite Ca(OH)2 peut être dissoute pour libérer des ions calcium Ca2+ et des ions hydroxyles OH-(Équation 1.5). Les ions OH- augmentent le pH du sol jusqu’à une valeur d’environ 12,4 qui correspond au pH d’une solution saturée en portlandite (Le Runigo, 2008).

CaO + H2O > Ca(OH)2 + 15,5 kJ/mol 1.4

Ca(OH)₂→ Ca²⁺+ 2 𝑂𝐻⁻ 1.5

Lorsque le pH atteint cette valeur de 12,4, le milieu est favorable à la dissolution de la silice (SiO2) et de l’alumine (Al2O3) contenues dans le sol. Une fois en solution, ces deux espèces se combinent avec le calcium libéré par la chaux pour former des produits cimentaires de nature similaire avec ceux issus de l’hydratation du ciment (CSH ou CAH) mais qui restent néanmoins mal cristallisés et se présentent sous forme de gels (Le Runigo, 2008). Ces réactions sont appelées les réactions pouzzolaniques. Ingles (1970) suggère également que les réactions pouzzolaniques pourraient être initiées par la dissolution des contours des feuillets argileux en contact avec l’eau du sol. Il y aurait alors mise en solution de la silice, et, précipitation de CSH sur les bords des argiles. Ces réactions seraient, selon lui, poursuivies jusqu’à épuisement de l’eau contenue dans les pores. L’ajout de la chaux au sol a plusieurs effets, outre la formation d’hydrates cimentaires:

 La floculation des argiles : l’apport d’une grande quantité de Ca2+ par la chaux conduit à la réduction de la charge nette négative des argiles par un phénomène appelé dans la littérature anglophone « crowding effect » (effet de concentration) qui consiste en un amassement des ions calcium à la surface des particules argileuses. Cette réduction de la charge conduit à la diminution des forces de répulsions des particules argileuses et à la floculation des argiles (Le Runigo, 2008).

 La modification des propriétés du sol au compactage : les sols traités à la chaux présentent une densité à l’optimum Proctor plus faible que celle des sols naturels, et leur teneur en eau de compactage optimale est décalée vers des teneurs en eau plus fortes (voir exemple sur la Figure 14). Cette diminution de densité est attribuée à la réorganisation des particules argileuses causée par le phénomène de floculation/agrégation.

Figure 14: Modification des caractéristiques de compactage d'un sol argileux en fonction de la teneur en chaux d'après Osula (1996)

b. Le ciment

On retrouve plusieurs types de ciment normalisés allant de CEMI à CEMV dont la composition et la fonction sont définies par des normes dont la norme NF EN 197-1 (2001). Dans la présente étude, le ciment utilisé a été un CEMII. Ce ciment est composé de 65% à 95% de clinker. Le reste se compose de calcaire (autour de 10 %) et de gypse (CaSO4), et éventuellement de cendres volantes, de laitier de haut fourneau, de pouzzolane naturelle et/ou de fumée de silice.

Le clinker est obtenu par cuisson d’un mélange de calcaire et d’argile à une température proche de 1450 °C et il est composé de quatre constituants principaux répertoriés par Lemaire (2012) dans le Tableau 7.

Tableau 7: Composition du clinker (Lemaire, 2012)

Nom Formule chimique Notation des cimentiers % mass.

Silicate tricalcique (CaO)3 SiO2 C3S 60-65

Silicate bicalcique (CaO)2 SiO2 C2S 10-20

Aluminate tricalcique (CaO)3 Al2O3 C3A 08-12

Alumino-ferrite tétracalcique (CaO)4 Al2O3 Fe2O3 C4AF 08-10

Le Tableau 7 montre que le clinker est composé majoritairement de C3S (60% - 65 %) et de C2S (10 %- 20 %). L’hydratation de ces composés, dont les mécanismes sont très proches, conduit à la formation de silicates de calcium hydraté (CSH) selon un processus de dissolution-précipitation. Par ailleurs, les concentrations en OH^- et en Ca²⁺ sont suffisantes pour la précipitation de la portlandite Ca(OH)2 notée CH. L’hydratation du système est décrite par les équations globales 1.6 et 1.7 (Moudilou, 2000).

60 CH x SH C O H x y S C₃ ( 3 ) ₂  _{x y} (3 ) _1.6 C₂S(y2x)H₂OC_xSH_y(2x)CH 1.7

Les CSH sous forme de « feuillets » organisés en gel se développent à partir des grains de clinker anhydres et se rapprochent les uns des autres jusqu’à une distance limite. Afin de réduire les forces de tension de surface, ils se rejoignent par coalescence pour former les ponts liants qui sont à l’origine de la cohésion des grains lors d’un traitement au ciment (Lemaire, 2012).