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Influence de la nature mineralogique de la fraction limoneuse sur la stabilite structurale des sols
S. Cuadrado Sanchez, J.C. Fiès, Gwendal Monnier
To cite this version:
S. Cuadrado Sanchez, J.C. Fiès, Gwendal Monnier. Influence de la nature mineralogique de la fraction
limoneuse sur la stabilite structurale des sols. Science du sol, 1971, pp.27-35. �hal-02729491�
Influence de la nature minéralogique de la fraction limoneuse
sur la stabilité structurale des sols
S. CUADRADO SANCHEZ, J.-C. FIES
etG. MONNIER
Laboratoire des sols C.N.R.A. — Versailles
SOMMAIRE
Au cours de l'étude expérimentale des relations entre la composition granulo- métrique des terres et leur stabilité structurale la surface spécifique des parti- cules complémentaires est apparue comme un paramètre textural important.
On a recherché ici à mettre en évidence un ef -/et éventuel lié à la nature de la surface, en utilisant des particules complémentaires de nature minéralogique différente associées à une même argile de sol. Les resultats obtenus confirment la valeur générale à donner au paramètre « surface spécifique » et montrent clai- rement ses limites d'application. Par contre, l'effet lié à la nature de cette surface n'a pu être dégagé, d'autres paramètres intervenant parallèlement.
INTRODUCTION.
Plusieurs travaux récents (KHEYRABI et MONNIER, 1968; MONNIER, 1967; J.-C.
FIES, 1970) ont cherché à préciser les relations
globalement
constatées entre la composition granulométrique des terres et certains de leurs comportements ou de leurs caractéristiques physiques.En ce qui concerne plus particulièrement la stabilité structurale de matériaux dépourvus de matières organiques, les résultats présentés ont mis en évidence l'importance de deux paramètres texturaux : l'étalement de la distribution granulométrique des particules limono-sableuses associées au ciment argileux (KHEYRABI et MONNIER, 1968) et surtout la surface spécifique de ces particules (J.-C. FIES, 1970). Cette dernière caractéristique a été interprétée comme représentant la surface maximale de contact possible entre l'argile et les éléments du squelette. L'importance de ce contact considéré d'un point de vue quantitatif nous a conduit à rechercher si, d'un point de vue qualitatif, sa nature n'était pas susceptible d'influer sur la stabilité des assemblages qui représentent les éléments de base de la structure.
I. — MATERIEL EXPERIMENTAL ET METHODES D'ETUDES.
Nous avons adopté à cet égard, une attitude analytique cherchant à ne faire varier que la nature de la surface des grains de limons associés, en proportions variables dans des échantillons artificiellement constitués, à une même argile de sol.
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S. CUADRADO SANCHEZ, J.-C. FIES, G. MONNIER
A. — CHOIX ET PREPARATION DES CONSTITUANTS ELEMENTAIRES.
L'argile utilisée (A) a été extraite de l'horizon B texturei d'un sol de limon de Versailles. Ce choix nous a été dicté par les nombreuses références disponibles sur le comportement de ce matériau et aussi parce que l'argile considérée confère aux échantillons expérimentaux dans la constitution desquels elle entre, des propriétés moyennes et proches de celles de sols d'origine et de constitution minéralogiques variées (KHEYRABI, 1965). L'analyse aux rayons X et l'étude theermopondérale indiquent la présence de montmorillonite, et de kaolinite. La capacité 'd'échange de 52 me pour 100 g d'argile sèche suggère que .la montmorillonite représente une part importante.
Elle a été rendue monoionique Ca++ par échange avec Ca0l2 0,2 N, lavée, amenée par centrifugation à •une humidité voisine de 130 % et utilisée sous cette forme pour la fabrication des échantillons artificiels.
Les particules limoneuses retenues se rattachent à trois types minéralogiques : le quartz, la calcite, la kaolinite.
— Le limon quartzeux (0) a été extrait de l'horizon B de Versailles. Il contient en outre des traces de feldspath, de kaolinite et d'argile micacée.
— Le limon calcaire (C) contient 84 °,'0 de calcite, un peu de quartz, et de kaolinite il a été extrait d'un sol colluvionnaire de vallée en Champagne crayeuse.
— Le limon à base de kaolinite (K) renferme également un peu de muscovite.
Il provient d'un kaolin de gisement.
Pour ne conserver que la variable « nature de la surface », il a été procédé à l'ajustement à une même valeur des surfaces spécifiques des 3 timons utilisés. Ces surfaces ont été mesurées en utilisant un « Sub Sieve Sizer » dont principe repose sur (l'utilisation de la formule de GOODEN et SMITH (1940) dérivée de celle de CARMAN (1939) qui explicite la relation entre le diamètre équivalent des grains de poudre constituant un massif poreux, la porosité de ce massif et la perte de charge d'un courant d'air qui le traverse (J.-C. FIES, 1970).
A partir de fractions 2-10 p, de chacun des limons, les surfaces spécifiques ont été amenées à une même valeur légèrement supérieure à 6.000 cm2/g et correspondant à la surface spécifique du limon calcaire. Pour cela, la surface spécifique du limon quartzeux 2-10 g original a été accrue par adjonction de particules 2-5 p. de même origine, et celle du limon « kaollnite » diminuée par addition de particules élémentaires de kaollnite appartenant à la fraction 20-50 p,. Les caractéristiques des 3 fractions limoneuses utilisées en définitive sont rassemblées dans le tableau n° 1.
TABLEAU 1. —
Caractéristiques des fractions limoneuses mises en expérience
Espèce minéralogique
dominant ',
Densité
réelle Composition granulométrique
Peroaité à sec taesé
Surface spécifique
cm2/g
Diamètre équivalent
Calcie (C) 2,71 100 % 2 - 10 p 149,9
%
6,326 3,51y
Kaolinite (K) 2,63 34 % de 20-50 ,p + 66 `,.
■
de2-10p 49,3 % 6.161 3,70 yQuartz (q) 2,69 100 % 2 - 10 y 5 2 ,7 't 6.349 3,50 )1
B. — .PREPARATION DES ECHANTILLONS ARTIFICIELS.
Il a été préparé pour chaque type de limon une série de mélanges à doses d'argile croissant de 10 en 10 %. Les échantillons ont été fabriqués en suivant le protocole préconisé par KHEYRABI et IVIONNIER et qui consiste à malaxer l'argile et le limon dans les proportions choisies en présence d'une quantité d'eau suffisante pour assurer la mobilité relative des particules élémentaires et, par là, l'homogénéité du mélange ; mais non excessive de façon à éviter le tri des particules par sédimentation. Cette teneur en 28
MINERALOGIE DES LIMONS ET STABILITE STRUCTURALE
eau optima a été empiriquement évaluée par les auteurs à 1,9 x He, He représentant l'humidité équivalente calculée d'après la formule de GRAS (1957) :
He = 0,59 A 0/0 + 0,16 < + 5,47 où A représente la teneur en argile et < la teneur en limon fin (2-20 p.).
Pour réduire les pertes d'eau par évaporation au •cours du malaxage, ce dernier est limité à 15 mm. La pâte qui en résulte est d'abord ressuyée sous vide sur BUCHNER pendant 5 heures, puis séchée à l'étuve à 105° jusqu'à poids constant. L'échantillon sec est ensuite écrasé et forcé à la main au travers d'un tamis à mailles carrées de 2 mm d'Ouverture. Pour accroître la sensibilité des mesures, seuls les agglomérats de taille supérieure à 1 mm sont retenus pour l'étude.
On ne saurait trop insister sur la standardisation des méthodes de préparation des échantillons. li a été en effet clairement démontré (HENIN, 1938; KHEYRABI, 1965), que la cohésion d'une terre peut être affectée par 4e mode de fabrication des échantillons et en particulier l'humidité de malaxage. Le mode de préparation retenu ici a été choisi, car il permet de conférer à un mélange de particules élémentaires le comportement du matériau originel qu'elles constituaient.
C. — APPRECIATION DE LA STABILITE STRUCTURALE.
Nous avons utilisé la méthode proposée par S. HENIN •et G. MONNIER (1956) dont les modalités techniques de mise en œuvre ont été précisées par A. FEODOROFF (1960). Aux prétraitements classiques à l'alcool éthylique et au benzène, nous avons, comme dans les travaux précédents déjà cités, ajouté un prétraitennent au dioxane dont l'effet très protecteur est susceptible de faire apparaître des variations de stabilité structurale dans la gamme des très faibles cohésions à l'état humide (G. MONNIER, 1965).
Les résultats portent sur les taux d'agrégats stables > 200 p. (Ag. % Ag. % Agb Agd °/0 selon les prétraitements), sur les taux correspondants d'éléments < 20 il dispersés au cours des opérations de tamisage (A L) %, enfin sur les particules comprises entre 20 et 200 p„ nécessairement complexe ici (") et dites pour cette raison
• sous agrégats •.
Il. — RESULTATS DES TESTS DE STABILITE STRUCTURALE.
On a Pu tout d'abord constater que pour tous les échantillons étudiés, le taux d'agrégats stables après prétraitement au benzène est nul. Ceci confirme le fait qu'en l'absence de matières organiques •et dans le cas d'une argile monoionique Ca++ la mouillabilité du matériau est toujours suffisante pour que la stabilité ne dépende que de sa cohésion à l'état humide. Dans ces conditions, le taux d'Ag. % (sans prétraitement) représente une donnée dont d'interprétation simple peut servir de base à l'étude. Les résultats des prétraitements portecteurs, Ag. et Agd % fournissant des éléments d'inter- prétation plus nuancée à certains niveaux.
A. — AGREGATS STABLES SANS PRETRAITEMENT (Ag. %).
Les résultats concernant les 3 séries sont regroupés dans le graphique n° 1.
On peut constater qu'apparaît l'allure générale désormais bien établie de .la relation stabilité structurale - teneur en argile.
Toutefois, de grandes différences se manifestent pour chaque teneur en argile, selon la nature du limon. ,
Comparés aux mélanges AQ pris comme référence :
— Les mélanges préparés à l'aide de limon très fin calcaire sont toujours plus stables y compris lorsque la teneur en argile est élevée et que le phénomène de fissuration est responsable d'une diminution apparente de stabilité. C'est cependant aux faibles teneurs en argile (inférieures à 50 0'0) que ces différences sont le plus marquées. Comme le montre le tableau 2 où les résultats sont exprimés en valeurs indexées par rapport au comportement des matériaux à base de limon quartzeux, le limon calcaire conduit à une stabilité jusqu'à près de 7 fais plus élevée. De plus, l'apparition de la stabilité se manifeste pour une teneur en argile plus faible. Seul le maximum de stabilité observé à 60 % d'argile est voisin dans les deux séries.
(•) Excepté dans le cas des mélanges AK la surface spécifique du limon à base de kaolinite ayant été ajustée à l'aide de particules 20-50. g. Les taux de sous agrégats sont alors corrigés.
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S. CUADRADO 'SANCHEZ, J.-C. FIES, G. MONNIER
argil
e %
FIGURE I. — Stabilité des mélanges argile-limon (sans prétraitement)TABLEAU 2.
— Agrégats stables sans prétraitement (valeurs indexées) par ropport aux échantillons AQ = 100 pour chaque teneur en argileArgile % 10 20 3 0 40 3 0 60 70 80 90 100
,
Calcaire (Ac)
- - 690 215 150 105 115 110 100
■
Kaolinite (AK) ,
- - 50 52 52 5 0 68 102 100
Quartz
(AtI) (i) (1) 100 100 100 100 100
....
100 100
(1) Les taux d'agrégats stables des sérias AG et AK sont nuls pour ces teneurs en argile.
30
60
50
40
30
20.
10-
Ag. % 100
9D-
80.
70-
• calcaire limon • kaolinite
• quartz
10 20 à
do do do io do
i0argile % FIGURE II. —
Stabilité des mélanges argile
-limon (prétraitement alcool)
31 MINERALOGIE DES LIMONS ET STABILITE STRUCTURALE
— Les mélanges à base de limon kaolinitique ont un comportement tout aussi singulier. Pour les teneurs en argile 60 %, ils sont, de façon remarquablement constante, deux fois moins stables. Au-delà, ils présentent la particularité de •ne pas manifester cette baisse apparente de stabilité attribuée à .la fissuration des matériaux très argileux.
En définitive, si l'on compare les 3 séries, pour chaque teneur en argile, le classement par stabilité croissante s'établit ainsi : kaolinite, quartz, calcaire, le caractère particu- lièrement stable de ce dernier étant surtout marqué en deça de 60 0/0 d'argile et la moindre stabilité de la kaolinite de 40 à 70 %.
B. — AGREGATS STABLES ÂPRES PRETRAITEMENT A L'ALCOOL ET AU DIOXANE (Ag,
et
Agi.Les taux correspondants sont portés sur les graphiques 2 et 3. Leur examen apporte certaines précisions aux résultats du comportement
sans
prétraitement. L'accroissement notable de stabilité en présence de limon calcaire pour les teneurs en argile inférieures à 60 0,0, bien qu'atténué, est confirmé, tandis qu'il devient dificile de distinguer le comportement des mélanges à base de kaolinite de ceux à base de limon quartzeux.100-
90
80-
70-
60-
50-
A
g d %
limon 1
• calcaire
• kaolinite
• quartz 40
30-
20-
10.
S. CUADRADO SANCHEZ, J-C FIES, G. MONNPEF1
10 2'0 30 40 50 60 70 611 90
argile %
FIGURE III.
—Stabilité des mélanges argile
-limon (prétraitement dioxane)
L'interprétation de cette différence est assez hasardeuse. D'après KHEYRABI (1965) qui s'appuyait sur des dispersions de mesures de cohésion d'agrégats à l'état humide, des différences importantes du comportement d'un échantillon entre prétraiternents traduiraient une grande diversité de stabilité entre les différents agrégats soumis au test.
Sur ces bases on pourrait admettre que cette hétérogénéité est plus marquée dans le cas des mélanges à base de kaolinite. Pour 30 % d'argile si Ag. 0/0 = 100, Ag. = 1.800 et Ag, = 2.950, que dans le cas des mélanges calcaires (dans les mêmes conditions Ag. = 215 et Ag, = 245).
C. — ELEMENTS DISPERSES ET SOUS-AGREGATS.
Ce comportement des mélanges AK apparaît également lorsqu'on prend en compte
"ensemble des particules complexes (> 20 p.) stables à l'eau obtenues par différence entre le poids de la prise d'essai et le taux d'éléments inférieurs à 20 g en suspension à l'issue des opérations de tamisage. Le graphique 4 présente les résultats obtenus sans 32
Ah% +.sous-agrégats%
• calcaire
• kaolinite
• quartz limon
MINERALOGIE DES LIMONS ET .STABILITE STRUCTURALE
prétraitement. On constate que l'agrégation stable totale est très Inférieure dans da série AK que dans les séries AC et AQ qui ne se distinguent donc l'une de l'autre que par la taille des agrégats stables plus importante dans le cas de AC.
o 10 20 30 40 50 50 7' 0 B IO 910
argile % FIGURE IV. —
Agrégation totale (particules complexes >
20 g)stables à l'eau
(sans prétraitement)
Par ailleurs, ces courbes montrent clairement que les différences de stabilité aux fortes teneurs en argile sont liées à des réactions différentes au phénomène de fissu- ration qui diminue la taille moyenne des particules stables : pour les 3 sérles, en effet, l'agrégation totale stable à l'eau croit régulièrement Jusqu'au taux de 90 qul. est celui de l'argile pure utilisée, cette valeur étant quasiment atteinte (85 °/0) pour des teneurs en argile de plus en plus élevees lorsqu'on passe de la série AC (45 % d'argile) à la série AQ (70 % d'argile) et à la série AK (85 % d'argile)
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S. ,CUADRADO SANCI-IEZ, J.-C. FIES, G. MONNIER
III. — DISCUSSION ET CONCLUSION.
La diversité de comportement des séries à base de limons de nature minéralogique variée que nous avons comparées étant bien établie et précisée, il reste à rechercher la cause de ces différences ; en particulier, nous nous proposons d'examiner dans quelle mesure l'hypothèse avancée en introduction, à savoir l'influence de la nature du contact entre les particules limoneuses et le ciment argileux est nécessaire pour les expliquer.
Nous nous référerons pour cela eux conclusions de l'étude déjà citée de J.-C. FIES (1970). Cet auteur a comparé les stabilités structurales de deux séries d'échantillons artificiels constitués à partir de doses croissantes d'argile associées à deux fractions de limons quartzeux présentant des surfaces spécifiques très voisines (1.750 cm-1g environ) et des étalements granulométriques très différents (les rapports des diamètres extrêmes de chaque fraction étant de 2 et 25 respectivement). Les comportements observés ont conduit à des conclusions différentes suivant la gamme de teneur en argile considérée :
— Au-delà d'une certaine teneur en argile (40 g. dans l'expérience citée), les échantillons homologues de chaque serie présentent des stabilités tout à fait analogues.
Ceci signifie que le comportement des matériaux est alors, pour chaque teneur en argile, essentiellement commandé par la surface spécifique du squelette limoneux et qu'il est donc indépendant d'autres paramètres tels que la distribution granulométrique des éléments du squelette.
— En deça de cette teneur critique en argile le comportement diffère d'une série à l'autre sans qu'il ait été possible jusqu'ici d'expliquer ces différences. Quant à la teneur critique, elle correspond à une quantité d'argile suffisante pour assurer sur la totalité de la surface des grains un revêtement d'épaisseur voisine de 2 p. à l'état sec.
Si nous examinons dans ce cadre les résultats présentés ici, nous constatons que pour surface spécifique commune aux trois familles de 'limons comparées et qui est de l'ordre de 6.000 ,cm2 ,1 g, cette teneur limite en argile se trouve reportée à plus de 90 go. En d'autres termes, la comparaison à laquelle nous avons procédé se trouve entièrement placée dans une gamme de teneurs en argile dans laquelle il a été montré qu'intervenaient d'autres paramètres que ceux que nous avions contrôlés (surface spécifique du squelette et nature de cette surface). Il ne nous est donc pas possible d'interpréter par l'influence de la seule nature de la surface de contact entre l'argile et le limon les différences de comportement observées.
Une contre-expérience supplémentaire suggérée par cette difficulté a consisté à comparer 2 échantillons, l'un à base de limon quartzeux, l'autre à base de limon calcaire de surface spécifique analogue, mais beaucoup plus faible quc dans le cas précédent, soit 1.455 cm/g. La teneur en argile de 40 % choisie se trouvait alors supérieure au seuil de recouvrement total à 2 p, d'épaisseur. Les résultats obtenus figurent dans le tableau 3.
TABLEAU 3. — Stabilité structurale comparée d'échantillons à base de limon calcaire et de limon quartzeux à faible surface specifique (teneur en argile
40 %)
Ag. % Ag. % Ag,
Limon quartzeux 2,8 22,3 50,6 Limon calcaire 301 20,2 51,7
On constate que dans ces nouvelles conditions, les deux échantillons ont exactement le même comportement quel que soit le test utilisé pour l'éprouver.
En premier lieu, ce résultat confirme nettement ceux de J.-C. FIES et les conclusions qu'il en avait tirées ; mais il indique également que lorsqu'on se place dans des conditions telles que la nature minéralogique du limon soit seule susceptible d'expliquer d'éventuelles différences de comportement, celles-ci ne se manifestent pas. L'incertitude 34
MINERALOGIE DES LIMONS ET STABILITE STRUCTURALE
demeure pour les plus faibles teneurs en argile. Pour la lever, il serait nécessaire de connaître et de maîtriser toutes ces autres caractéristiques du squelette qui interviennent alors. La réponse dépend en définitive des progrès qui pourront être réalisés dans l'analyse des différences de comportements entre limons quartzeux qui n'ont pu être expliquées par l'intermédiaire de leur surface spécifique.
Reçu pour publication le 30 novembre 1970.
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INFLUENCE OF THE MINERALOGICAL NATURE OF SILT IN THE STRUCTURAL STABILITY OF SOIL
SUMMARY
Structural stability and specific area of complementary particles of sou l have already been experimentally related.
We have tried here to show the possible influence of the chemical nature of the specific area by mixing various mineralogical silts with the same clay.
Although this work stands as supporting evidence of the general meaning of the specific area as a textural parameter and show its limits of applicability, the influence of the mineralogical nature of silt has flot been established due to the interference of other parameters.
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