Risque associé au retrait gonflement des sols argileux et marneux. Expérimentation combinant essais mécaniques et approche microstructurale Myriam Duc, Aurélie Maloula, Lamis Makki Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Paris Division mécanique des sols et des roches et géologie de l ingénieur. 1
Le cas des pays tempéré : la France Les sols argileux réagissent aux changements de leur teneur en eau Moins d eau Retrait Etat initial Plus d eau Gonflement Volume La France sinistrée max retrait initial min gonflement w r w P w L w max Teneur en eau Les pays humides s intéressent au retrait (peu étudié) responsable des pathologies 2
Pathologies Sécheresses >> pathologies coûteuses (depuis 1989 > 4,5 M d euros). Pas de règles de construction obligatoires en France pour les bâtiments. Source Site web du BRGM (1) Evapo-transpiration (2) Evaporation (3) Absorption by roots (4) Clay layer (5) Clay sheet (6) Interstitial water Project MISS in LCPC 3
Pour comprendre le comportement des constructions.comprendre le comportement du sol. Déterminer l amplitude de déformation du sol pour adapter les fondations des maisons individuelles Caractériser la sensibilité du sol au retrait gonflement Opération de recherche LCPC 11M065 et Projet ANR ARGIC Thèse de L. Makki (2009) Sécheresses >> catastrophes naturelles critères CATNAT : rapport météo et présence d argiles sensibles D autres paramètres jouent un rôle!! densité du sol nombre de cycles d humidification-séchage Teneur en carbonates 4
Caractériser la sensibilité du sol : obtenir des courbes de retrait pour connaître la déformation du sol en fonction des variations hydriques e = V vides /V solide Courbe de retrait d après Cornelis et al. (2006) Point d entrée d air 5
Un essai de retrait libre volumique automatisé (fiche technique à la disposition des laboratoires intéressés) 6 Makki et al.. (2008) SEC 2008, Presses du LCPC, pp. 257-264
Sols choisis pour comparer argiles et marnes Carrière de Villeparisis (Seine et Marne) Minéralogie AV 2007 Argile < 2µm 78% Phase majoritaire Quartz MB 2007 Argile < 2µm 81% Quartz Argile verte de Romainville Marne de Pantin Marne bleue d Argenteuil Gypse Kaolinite 5% Illite 60% Kaolinite 10% Illite 50% Gonflement Montmo. 35% * Semi-quantification de la fraction argileuse Feldspath trace Montmo. 40% 3,1% CaCO 3 Dolomite Calcite 34,4% CaCO 3 7
Influence des carbonates sur le retrait des sols (Déformations) Eprouvettes intactes w R w R ε vol Argile verte déformation volumique e o 0,77 w 27% ε vol 17,3% PEA PEA Marne bleue 0,84 30% 11% Marne bleue : plus lâche et plus humide >> moins déformable!! Les carbonates seraient responsables du blocage de la déformation et de la forme de la courbe? PEA PEA 8
Influence des carbonates sur le retrait des sols Les carbonates seraient responsables du blocage de la déformation et de la forme de la courbe? o Décarbonatation de la marne bleue (enlever les carbonates) o Carbonatation de l argile verte (ajouter des carbonates) Duc M., Makki L., Maloula A., Magnan J-P. (2009), XIV International Clay Conference, Castellaneta Marina, 14-20 juin 2009, 9Italie
Remaniement: remaniement du sol sous forme de boue : sol compacté et humidifié pour retrouver l état initial du sol intact Le remaniement modifie la structure du sol (les déformations augmentent) Décarbonatation de la marne bleue (Déformations) Volume deformation (%) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Disturbed D Undisturbed Disturbed green clay W Disturbed W 0 0 5 10 10 15 15 20 20 25 25 30 30 35 35 Water content w(%) Décarbonatation Forme de la courbe de retrait 3 parties >> 2 parties La déformation volumique diminue après la décarbonatation par rapport au sol remanié W ε vol remanié W > ε vol décarbonaté (?) 10
Carbonatation de l argile verte (Déformations) Remaniement: remaniement du sol sous forme de boue : sol compacté et humidifié pour retrouver l état initial du sol intact Le remaniement modifie la structure du sol (les déformations diminuent) Volume deformation (%) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Disturbed Disturbed W Blue marl W Undisturbed Disturbed RC 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 Water Water content content w(%) w(%) Carbonatation Forme de la courbe de retrait 2 parties >> 3 parties La déformation volumique diminue après la carbonatation par rapport au sol remanié W ε vol remanié W > ε vol décarbonaté 11
Essais de retrait avec argile verte remaniée W + gypse ou chaux ou billes de verre ou alumine... W R argile verte remaniée W = 16% 12 Une action spécifique des carbonates sur la forme de la courbe de retrait...
Porosimétrie mercure et microscopie électronique à balayage environnemental Pour comprendre les changements de structure lors du retrait en relation avec le comportement mécanique du sol ESEM quanta 400 de chez FEI Poromercure Micromeritics IV (Ecole Centrale Paris) 13
Influence des carbonates sur le retrait des sols (microstructure) Eprouvettes intactes : argile verte et marne bleue après le retrait <6nm Pores associés aux carbonates? carbonates Argile verte ( µm) Marne bleue 20 µm 20 µm 200 µm 200 µm 14
Sol décarbonaté Décarbonatation / carbonatation (microstructure) marne bleue 50 µm 500 µm carbonates ( µm) 10 µm argile verte Porosité associée aux carbonates 200 µm Sol carbonaté 15
Conclusions Comportement de retrait gonflement du sol : amplitude de déformation nature de l argile présence de carbonates Structure du sol héritée de son histoire géologique et donc du remaniement du sol Apport de l ESEM et de la porosimétrie : vers un modèle physique du sol Les carbonates bloquent les déformations dans les sols marneux >> teneur en carbonate dans les classifications de sol Attention : cycles de séchage-humidification >> déstructuration et mouvement des particules : les marnes tassent ou gonflent progressivement parfois plus que les argiles. Le gonflement ou le retrait dans les sols argileux s exprime dès le premier cycle. sol dense >> pas de retrait sol lâche >> pas de gonflement >> densité (ou e) dans les classifications de sols 16
5000 Nouvel équipement de diffraction de rayons X au LCPC Paris (division MSRGI) Chambres environnementales : changement de phases en température (jusqu à 1200 C) et au cours d une humidification/séchage (Hr 95%, 60C) 4000 Lin (Counts) 3000 2000 Amorphisation de la kaolonite (transformation en métakaolin à T C croissante) 1000 0 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 10.5 11 12 13 Temp.: 99 C Temp.: 199 C Temp.: 300 C Temp.: 400 C Temp.: 501 C Temp.: 503 C Temp.: 514 C Temp.: 525 C Temp.: 536 C Temp.: 548 C 2-Theta - Scale Temp.: 559 C Temp.: 570 C Temp.: 581 C Temp.: 592 C Temp.: 601 C Temp.: 31 C Lin (Counts) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 3.4 4 5 6 7 8 9 Gonflement Humidity: 9.6 % Humidity: 14.4 % Humidity: 19.7 % Humidity: 24.5 % Humidity: 29.2 % Humidity: 34.6 % Humidity: 39.7 % Humidity: 44.5 % Humidity: 49.4 % Humidity: 54.1 % Humidity: 59. % Humidity: 64.4 % 2-Theta - Scale Humidity: 69.5 % Humidity: 74.5 % Humidity: 79.5 % Humidity: 84.6 % Humidity: 89.5 % de la bentonite à 30 C de 9% à 90% Hr 17
Merci de votre attention 18