Durabilité du matériau terre stabilisée

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1 Durabilité du matériau terre stabilisée Bahar R.*, Benazzoug M. Laboratoire de Géomatériaux, Environnement et Aménagement, Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, Algérie Kenai S. Laboratoire de Géomatériaux et Génie Civil, Université Saad Dahleb de Blida, Algérie Résumé Cette communication présente les résultats d une étude expérimentale du comportement d un sol stabilisé par compactage et avec incorporation de stabilisants en vue d augmenter sa résistance mécanique, sa stabilité à l eau et sa durabilité. Il s agit d une étude expérimentale de l impact de l ajout de stabilisants chimiques (ciment, chaux, fillers) et leurs combinaisons sur la durabilité d une argile ou d un sable. La durabilité du matériau stabilisée est testée par la réalisation d une campagne d essais d humidification - séchage ou cycle de mouillage séchage alterné. Mots-clés: sol, stabilisation, ciment, chaux, filler, résistance 1. INTRODUCTION L'utilisation de la terre comme matériau de construction est une tradition très ancienne. En raison de son abondance et la disponibilité de la main d œuvre, la construction en terre est très répandue dans toute la longue histoire de l'algérie, particulièrement dans les zones rurales et les régions arides. La plupart des constructions traditionnelles sont faites avec de la terre associée à d autres matériaux d'appoint tels que les ajouts végétaux ou minéraux. Cependant, la terre a l inconvénient de présenter une faible durabilité sous l action des intempéries. L eau est donc un facteur susceptible de provoquer des désordres importants sur les ouvrages en terre mettant en cause leur pérennité. Toutefois, en raison de son bas coût et les besoins importants dans le logement, les autorités locales encouragent la recherche dans ce domaine. Une des qualités principales exigées du matériau terre est sa résistance à l eau qui définit sa durabilité. Différentes techniques sont employées dans la construction en terre pour améliorer sa résistance (Stulz et Mukerji, 1988; Houben et Guillaud, 1989). La technique la plus récente et la plus prometteuse est la construction en terre stabilisée par des ajouts chimiques et/ou par stabilisation mécanique (Gressillon, 1978 ; Bahar et al, 24). Le renforcement par des fibres naturelles est parfois employé pour donner une meilleure performance en compression, flexion et au retrait (Bouhicha et al, 25). La stabilisation, un sol mélangé au ciment ou à la chaux, compacté, peut donc apporter des solutions aux problèmes de durabilité du matériau terre et l utiliser ensuite dans la construction comme une excellente alternative aux autres matériaux tels que le béton et produire ainsi des matériaux de qualité et économique. Plusieurs études expérimentales ont été réalisées pour analyser la stabilisation du matériau terre par des méthodes mécaniques comme le compactage et la vibration et/ou la stabilisation chimique par ciment (Bahar et al, 24). Cette communication présente les résultats d une étude expérimentale du comportement d un sol stabilisé par compactage et avec incorporation de stabilisants en vue d augmenter sa résistance mécanique, sa stabilité à l eau et sa durabilité. L'objectif principal est l étude de l impact de l ajout de stabilisants chimiques (ciment, chaux, fillers) et leurs combinaisons sur la durabilité d une argile ou d un sable. A cet effet, la durabilité du matériau stabilisée est testée par la réalisation d une campagne d essais d humidification - séchage ou cycle de mouillage séchage alterné * Auteur correspondant: ramdane_bahar@mail.ummto.dz Rabat Maroc / Novembre 211 1

2 2. PRESENTATION ET IDENTIFICATION DES MATERIAUX UTILISES 2.1. Le sol et les stabilisants Les essais portent sur 3 types de sol différents : la marne (M), l argile (A) et le sable (S). La figure 1 présente les courbes granulométriques de ces sols. Les critères de choix de ces sites sont la disponibilité et l abondance de ces matériaux dans la région de Tizi-Ouzou. La stabilisation par modification de la granulométrie a été effectuée en augmentant le pourcentage de sable dans un milieu argileux ou en en modifiant le pourcentage d argile dans un milieu sableux. Les matériaux utilisés pour la stabilisation sont le sable, utilisé comme ajout au matériau argile, l argile utilisée comme liant dans le matériau sable, les fillers ou fines d addition de dimension à 125µm destiné à remplir les vides pour avoir une meilleure compacité, le ciment Portland artificiel (CPA 325) et la chaux vive qui est un oxyde de calcium obtenu par cuisson des roches calcaires à une température de 1 C Marne Argile Sable Fuseau limite Courbe idéale Tamisats (%) Dimension des particules (mm) Figure 1. Courbes granulométriques, courbe idéale pour le béton de terre stabilisée avec son fuseau limite. 2. INFLUENCE DE L INCORPORATION DE STABILISANTS ET LEURS COMBINAISONS SUR LA DURABILITE 2.1. Essais de durabilité Le but de l essai de durabilité est d évaluer les aptitudes du matériau stabilisé à résister à l action de l eau. Cette aptitude est souvent étudiée par les essais suivants: - Essai d humidification - séchage ou cycle de mouillage séchage alterné, - Essai de perte de poids, - Essai d absorption par immersion et par capillarité. Ces trois essais ont été utilisés pour étudier l influence de l incorporation des stabilisants sur la durabilité de deux matériaux fins. Mais, on présente dans cette communication seulement les résultats obtenus par l essai d humidification séchage réalisés sur des éprouvettes à matrice argileuse Essai d humidification - séchage ou cycle de mouillage séchage alterné Dans le but d étudier la durabilité et la résistance à l état humide du matériau terre stabilisée lorsqu ils sont soumis à des alternances pluviométriques (saturation en eau en hiver, séchage en été), un essai type de durabilité (mouillage - séchage) a été réalisé. L essai est réalisé sur deux matériaux servant de matière première : argile ou sable. Les éprouvettes sont soumises à cinq cycles de mouillage séchage. Pour former un cycle, elles doivent être immergées pendant 5 heures dans l eau puis séchées à l étuve pendant 24 heures sous une température de 15 C. Au dernier cycle, elles seront soumises à l essai d écrasement juste après l immersion. La résistance à la compression après cinq cycles mouillage séchage Rabat Maroc / Novembre 211 2

3 alternés (R msa ) est donnée par la relation (R msa =F msa /S), S est la surface transversale de 1 éprouvette et F msa la charge maximale de rupture. Le coefficient de résistance à l humidité (C rh ) est défini par le rapport de la résistance à l écrasement après 5 cycles mouillage séchage alterné sur la résistance à la compression à sec R sec (C rh = R msa /R sec ) Eprouvettes Pour la facilité et la clarté des résultats présentés ci-dessous, nous avons adopté la nomenclature suivante pour les ajouts et leurs teneurs utilisées dans la confection des éprouvettes. C : ciment CY : teneur de ciment Y% (C5=5%, C1=1%, C15=15%) F : filler FY : teneur de filler Y% (F2=2%, F5=5%, F1=1%) X : chaux XY : teneur de chaux Y% (X2=2%, X5=5%) S : sable SY : teneur de sable Y% (S2=2%, S3=3%) 3. PRESENTATION ET DISCUSSION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX Les figures 2 à 6 présentent les résultats obtenus de la résistance à l écrasement après cinq cycles mouillage - séchage alterné à partir d essais réalisés sur l argile stabilisée au ciment, chaux, fillers, sable et leurs combinaisons. Les observations faites au cours de ces essais montrent que les éprouvettes non traitées sont complètement détruites aux premiers cycles, traduisant ainsi la faible résistance à l eau des matériaux utilisés. Les éprouvettes stabilisées montrent une meilleure résistance à l eau Argile stabilisée au ciment seul On note sur la figure 2 que la résistance à l écrasement, après 5 cycles alternés mouillage séchage, croit en fonction de la teneur en ciment. Un ajout de 1% de ciment augmente la résistance de 1 fois la résistance du matériau stabilisé à 5%. L ajout de 15% de ciment engendre une augmentation de résistance moins importante par rapport au matériau stabilisé à 1% de ciment, elle est de 49%. Ces résultats indiquent que la résistance de l argile stabilisée dans l intervalle 5 et 1% est très sensible à la teneur en ciment. Le gain de résistance devient relativement faible au-delà de 1% de teneur en ciment. Si on retient les 4 bars imposés par les normes pour les constructions horizontales en R ou R+2, l apport de 1% de ciment assure un coefficient de sécurité satisfaisant de Sol stabilisée au (ciment + chaux) Pour mettre en évidence l influence du ciment, la figure 3 présente la variation de la résistance R msa en fonction de la teneur en chaux. Cette figure montre clairement que plus la teneur en ciment augmente, plus la résistance est élevée. Pour mieux comprendre l influence de la chaux sur la résistance, nous avons tracé la résistance R msa en fonction de la teneur en ciment (Fig. 3). Celle-ci montre que les courbes à 2 et 5% de chaux se situent au dessus de la courbe de traitement au ciment seul, et se coupent en un même point correspondant à une teneur en ciment de l ordre de 13%. Le traitement mixte (ciment+chaux) améliore donc la résistance à l écrasement après mouillage - séchage alterné. Ces résultats montrent clairement que la teneur en chaux efficace dépend de la teneur en ciment. Pour des teneurs en ciment inférieures à 13%, la meilleure résistance est obtenue pour une teneur en chaux de 5%. Au delà de 13% de ciment, 2% de chaux donne de meilleurs résultats. Le gain de résistance est d environ 92%, soit presque le double de la résistance obtenue au traitement ciment seul, pour un ajout de 1% de ciment et 5% de chaux. Ce gain de résistance est de 84% pour un ajout de 2% de chaux combinée à une teneur en ciment de 15%. La performance du matériau est atteinte pour 15% de ciment et 2% de chaux (252.1 bars). Il est intéressant de retenir que l ajout de faibles teneurs en chaux (2 et 5 %) améliore de 84% et peut même atteindre le double la résistance du traitement au ciment seul Traitement (ciment + filler) Les figures 3 et 3 montent que l apport de 2 et 5 % de fillers engendrent un gain de résistance insignifiant et peut même faire chuter la résistance du matériau stabilisé au ciment seul. Elles ne sont donc pas à prendre en considération. L apport de 1% de fillers améliore légèrement la résistance. Le gain de résistance par comparaison au traitement ciment seul pour des teneurs fixées à (15% de ciment et 1% Rabat Maroc / Novembre 211 3

4 de fillers) et (1% de ciment et 1% de fillers) est respectivement de 6.2% et 8.7%. Cette légère amélioration est probablement due à l amélioration de la compacité du matériau induite par la diminution des vides par l intégration des fines entre les particules du sol. L ajout des fillers est intéressante pour une teneur de 1% qui engendre un léger gain de résistance quelque soit la teneur en ciment % Ciment Teneur en chaux (%) Figure 2. Stabilisation à la chaux : résistance à l écrasement après 5 cycles mouillage séchage alternés (R msa ) en fonction de la teneur en chaux, en fonction de la teneur en ciment % Chaux 2% Chaux 5% Chaux % Ciment Teneur en filler (%) Figure 3. Stabilisation au (ciment + fillers) : résistance à l écrasement après 5 cycles mouillage séchage alternés (R msa ), en fonction de la teneur en filler, en fonction de la teneur en ciment Traitement (ciment + sable) La figure 4 montre l influence de l ajout du sable sur la résistance R msa d une argile stabilisée au (ciment + sable). On note que l incorporation du ciment a un effet positif sur la résistance, plus la teneur en ciment est élevée plus la résistance R msa augmente. Les meilleurs résultats sont obtenus avec 15% de ciment et 5% de sable (233.7 bars, Fig. 4). Pour une teneur en ciment fixe, la résistance évolue en fonction de la teneur en sable. La figure 5 illustre les mêmes résultats sous forme de gains, pertes et performances par rapport à ceux obtenus pour l argile stabilisée au ciment seul. La figure 5 montre que le gain de résistance est très important pour les faibles teneurs en ciment (5%). On s aperçoit que si le taux de ciment doit être maintenu à 5% pour une application particulière de la stabilisation, l incorporation de sable est d une extrême utilité car avec un apport de 2% de sable, la résistance de l argile stabilisée au ciment seul est multipliée par 2.8 et avec 5 % de sable, elle est 5.2 fois plus grande. Les meilleurs taux de gain sont donnés par la teneur en ciment de 5 %. Pour 1 et 15 % de ciment, la figure 5 montre que les gains de résistances sont assez proches et les courbes obtenues sont presque confondues % Filler 5% Filler 1 % Filler % Filler Rabat Maroc / Novembre 211 4

5 % Ciment Teneur en sable (%) % Sable 3% Sable 5% Sable % Sable Figure 4. Stabilisation au (ciment + sable) : résistance à l écrasement après 5 cycles mouillage séchage alternés (R msa ), en fonction de la teneur en sable, en fonction de la teneur en ciment. Gain de résistance (%) % Sable 3% Sable 5% Sable Teneur en sable (%) Figure 5. Stabilisation au (ciment + sable) : gain obtenu par ajout de sable, en fonction de la teneur en ciment, en fonction de la teneur en sable Traitement (ciment + chaux + sable) La figure 6 présente les résistances obtenues en fonction de la teneur en ciment. Pour l argile stabilisée avec un apport de 2 % de sable, l apport de 2% de chaux semble donner des résultats intéressants pour des teneurs en ciment comprises uniquement entre 8 et 11% environ. A l extérieur de cet intervalle, la résistance est plus faible que celle obtenue avec un apport de 5% de chaux. Avec 5% de chaux, la résistance varie linéairement avec la teneur en ciment. Il en résulte un gain considérable de résistance surtout au-delà de 11% de ciment. Néanmoins, dans l intervalle de 8 à 11% de ciment, on constate que le traitement à 5% de chaux engendre une perte de résistance de 3%, ce qui est très faible. On peut conclure que le traitement à 2% de sable peut produire d assez bons résultats avec une teneur en chaux de 5%. Pour l argile stabilisée avec un apport de 3 % de sable, on retrouve une situation similaire qu avec 2% de sable, mais avec un intervalle d influence sur la résistance un peu plus large pour un apport de 2% de chaux. Le taux de 2% de chaux peut être intéressant pour une teneur en ciment comprise entre 8 et 14%. La stabilisation avec incorporation de 5% de chaux améliore considérablement la résistance après 5 cycles mouillage séchage alternés. La performance est atteinte avec (15% de ciment+3% de sable+5% de chaux), on obtient une résistance maximale de 36 bars. L histogramme de la figure 6 donne la résistance selon l ordre décroissante pour les différentes combinaisons de stabilisation. On note sur cette figure que les teneurs en ciment de 1% sont à droite donc de faibles résistances, de à 89.3 bars, et les teneurs en ciment de 15% sont du coté de fortes résistances de à 18 bars. Dans les classes de fortes et de faibles résistances, les teneurs en sable de 3% occupent le premier rang suivi par la teneur de 2 % sable. A teneurs égales en ciment et en sable la teneur de 2 % de fillers indique une meilleure résistance. Gain de résistance (%) % Ciment Rabat Maroc / Novembre 211 5

6 % Sable +2% Chaux 2% Sable + 5% Chaux 3% Sable + 2% Chaux 3% Sable+5% Chaux Eprouvette Figure 6. Stabilisation (chaux + sable + filler), résistance à l écrasement après 5 cycles mouillage séchage alternés R msa en fonction du % ciment. 4. CONCLUSIONS Cette étude montre que l amélioration de la durabilité du matériau terre peut se faire par un traitement à base de ciment et de chaux qui permet d obtenir des propriétés intéressantes sur les sables et les argiles. La durabilité est considérablement améliorée par le traitement mixte. Il en ressort que : -Traitement au ciment seul : Bien qu à partir de 1% de ciment, la résistance à l état sec est très satisfaisante (supérieure à 4 dan /cm²), le traitement au ciment seul ne convient pas, car même avec de fortes teneurs (15%), la résistance après mouillage séchage est altérée et ne vaut que 88% de la résistance à sec. - Traitement au (ciment + sable) : Pour de faibles teneurs en ciment, le sable a une grande influence sur la résistance bien que la performance soit faible, le gain obtenu par son incorporation dans le sol peut atteindre un gain de 5%. Incorporé en forte teneur dans la combinaison (ciment + sable), le sable donne d assez bons résultats à l état sec et un coefficient de résistance à l humidité supérieur à 1 (1.63) surtout en présence de teneurs élevées en ciment. - Traitement (ciment + sable + chaux) : Les résistances à sec sont très bonnes. La tenue à l humidité est satisfaisante. A partir de 1% de ciment, les coefficients de résistance à l eau sont supérieurs à 1 et peuvent atteindre L amélioration est d autant plus élevée que la teneur en sable incorporée est forte. - Traitement (ciment + filler + sable) : L incorporation des fillers diminue la résistance mouillage - séchage alterné et la résistance à sec. En comparant les deux traitements (ciment + sable + chaux) et (ciment + sable + filler), la première combinaison donne d excellents résultats par rapport à la deuxième et ceci est obtenu grâce au rôle important joué par la chaux. REFERENCES Bahar, R. Benazzoug, M. et Kenai, S. (24). Performance of compacted cement stabilised soil. Cement and Concrete Composites. Elsevier Applied Science Publischers, U.K., Vol. 25, No 6, pp Bouhicha, M., Aouissi, F. et Kenai, S (25). Performance of composite soil reinforced with barely straw, accepted for publication in the international journal of Cement and Concrete Composites, special theme issue, natural fibre reinforced cement composites. Gresillon, J.M. (1978). Etude de l aptitude des sols à la stabilisation au ciment application à la construction. Annales de l ITBTP, N 361, Paris, mai 1978, pp Houben, H. And Guillaud, H. (1989). Traité de construire en terre : l encyclopédie de la construction en terre, CRATerre, vol. 1, Edition Parenthèse, Paris. Stulz, R. and Mukerji, K. (1988), Appropriate building materials a catalogue of potential solutions, SKAT & IT Publications, Switzerland. Résistance (bars) C15 S3 F2 C15 S3 F5 C15 S2 F2 C15 S2 F5 C1 S3 F2 C1 S3 F5 C1 S2 F2 C1 S2 F5 Rabat Maroc / Novembre 211 6

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