2 Centre de recherches routières Guide pratique Stabilisation des sols pour couches de sous-fondation Complément au Code de bonne pratique R 74/04
* Table des matières Introduction 2 1. Prélèvements d échantillons représentatifs 4 2. Détermination de l homogénéité / hétérogénéité des matériaux 5 3. Analyse des échantillons 6 4. Etude de formulation 7 5. Exécution 10 Epandage 10 Malaxage 10 Compactage 11 Protection 11 6. Contrôles 12 Contôle de l agent de traitement utilisé 12 Contrôle de l exécution 12 Contrôle du mélange 12 Contrôle du compactage 12 7. Normes 13 1
2 Guide pratique Stabilisation des sols pour couches de sous-fondation 1 Introduction Lors de la construction de routes, pistes cyclables et plateformes industrielles, les sols fins, comme les sols sensibles à l'eau et trop humides, peuvent être réutilisés comme matériau de sous fondation après stabilisation par un ou plusieurs agents de traitement. Des applications en fondation sont également possibles, mais les expériences belges actuelles se limitent aux routes à trafic limité et aux pistes cyclables. Revêtement Fondation Sous-fondation Fond de coffre (Remblai) Sol naturel L'ajout d'un agent de traitement permet d'assurer, par une mise en œuvre correcte, une traficabilité de la couche, l'obtention des compacités visées, une portance élevée et une durabilité de cette portance dans le temps sous l'influence de l'eau et du gel. Le choix de l'agent de traitement et son dosage sont déterminés par le type de sol, sa teneur en eau au moment du traitement ainsi que les caractéristiques visées. Une couche de sous-fondation en sol fin stabilisé garantit des portances à long terme élevées, qui dépassent celles obtenues par des couches de sous-fondation traditionnelles en empierrement pour une épaisseur identique. Ainsi, l'épaisseur de la sous-fondation peut être diminuée de 25% (1) par rapport à une sous-fondation en empierrement, à condition que l'épaisseur de la couche stabilisée soit de minimum 15 cm et que la structure résultante réponde aux exigences de mise hors gel de la structure. Ce guide pratique présente une approche opérationnelle de la stabilisation des sols. Il est constitué d'organigrammes facilitant une décision quant à la pertinence d'une stabilisation du sol. Le guide est un complément au document théorique général «Code de bonne pratique pour le traitement des sols à la chaux et/ou au ciment» qui reprend des informations complémentaires indispensables à la compréhension du présent fascicule: - description des différents types sols et de leurs caractéristiques ainsi qu'un aperçu des essais de laboratoire à réaliser pour évaluer la pertinence d'un traitement et les dosages à appliquer; - description des différents agents de traitement et de leurs effets sur le sol; - description de la conduite du chantier ainsi qu'un aperçu du matériel disponible pour traiter les sols à la chaux et/ou au ciment. 2 1 Communication personnelle, E. Van den Kerkhof - CRR (15.12.2003).
Guide pratique Le présent guide n'a pas la vocation de se prononcer quant à la qualité environnementale du sol à recycler et part du postulat que les terres que l'on veut stabiliser répondent aux exigences des législations environnementales en vigueur pour l'application considérée. Les différentes étapes à envisager en vue d'une stabilisation d'un sol pour utilisation comme couche de sous-fondation ou de fondation sont: Avant l exécution des travaux: 1 ) Prélèvements d'échantillons représentatifs. 2 ) Détermination de l'homogénéité / hétérogénéité des matériaux et regroupement. 3 ) Analyse des échantillons par des essais d'identification: - granulométrie «simplifiée»: - D max (dimension du plus gros élément) - passant à 2 mm; - passant à 63 µm; - valeur de bleu de méthylène (VBS) (mesure indirecte de l'argilosité du sol); - teneur en eau naturelle; - teneur en matières organiques (MO), sulfates, Essais d'aptitude (éventuellement). Classification des matériaux. 4 ) Etude de formulation: détermination du dosage optimal en agent de traitement Au moment de l'exécution des travaux: 5 ) Exécution: épandage - malaxage - compactage - protection 6 ) Contrôles: - contrôle d'agent de traitement utilisé; - contrôle de l'exécution; - contrôle du mélange sol - agent de traitement; - contrôle du compactage. Les organigrammes qui suivent respectent les conventions suivantes: opérations réalisées par un laboratoire accepté par le maître d'ouvrage; détermination de l'aptitude du sol à être stabilisé. 3
2 Guide pratique Stabilisation des sols pour couches de sous-fondation 1 Prélèvements d'échantillons représentatifs Projet de stabilisation de sol Pas de déplacement de sol (pas de déblais / remblais) Déplacement de sol Consultation des cartes pédologiques et/ou géotechniques Sondage à la tarière (manuel/motorisé) Fréquence conseillée (2) : 1 sondage tous les 1500 m 2 Identification des zones à déblayer / remblayer et des zones à réutiliser en stabilisation pour sous-fondation Prélèvement d'échantillons dans la couche à traiter (3) 4 2 La fréquence sera adaptée en fonction du projet, des conditions locales, des impositions du maître d'ouvrage. Celleci peut être augmentée dans le cas de sols fortement hétérogènes. 3 Il faut veiller à prélever suffisamment d'échantillons pour pouvoir effectuer les différents essais détaillés ci-après. On s'assurera qu'environ 150 kg d'échantillons soient prélevés pour chaque type de sol afin de pouvoir réaliser la totalité des études de laboratoire (essais d'identification + étude de formulation)
2 Détermination de l'homogénéité / hétérogénéité des matériaux Guide pratique Echantillons Teneur en eau (En 1097-5; NF P94-049-1) Regroupement des échantillons en groupes homogènes par identification visuelle Regroupement impossible Regroupement possible: définition de groupes de matériaux homogènes Matériau très hétérogène et/ou contaminé: pas de traitement ou étude plus poussée Mélange des échantillons appartenant à un même groupe 5
2 Guide pratique Stabilisation des sols pour couches de sous-fondation 3 Analyse des échantillons Mélanges d échantillons appartenant à un même groupe Détermination des paramètres suivants: - granulométrie simplifiée (D max, passant à 2mm, passant à 63 µm) - valeur de bleu de méthylène (VBS) - teneur en eau naturelle - matières organiques (MO) (NBN 589-207 4) Classification des matériaux sur base des analyses Teneur en MO > 3 % Teneur en MO 3 % Pas de traitement (4) ou étude plus poussée Risques de présence de sulfates, nitrates, phosphates (sols pollués et naturels spécifiques) Pas de risques Essais de l'aptitude du sol au traitement (cf. document théorique, chapitre 1.3.2.2.) Sol apte au traitement Sol non apte au traitement Pas de traitement (4) ou étude plus poussée 6 4 Ceci n'exclut pas d'autres utilisations, tel que des applications en amélioration de sol.
4 Etude de formulation Guide pratique L'étude de formulation permet de: - fixer la quantité d'agent de traitement à utiliser; - fixer la teneur en eau optimale de mise en œuvre (permettant un compactage correct du sol traité) et la densité après compactage; - vérifier les paramètres de: - portance immédiate; - portance à court terme; - délai de mise en service de la couche; - résistance à l'eau en immersion; - résistance au gel. Dans une étude de formulation, différents dosages sont évalués afin d'optimiser les quantités d'agent de traitement. Des plages à balayer, en fonction du passant à 63 µm et de la plasticité du sol, sont indiquées dans le tableau ci-dessous: Passant au Plasticité Plage à balayer tamis de 63 µm (%) du sol (5), (6) Chaux vive + Ciment Chaux vive - CL90 Ciment - CEM III 32.5 (7) > 35% VBS < 25 0,5% - 1% 4% - 6% 12% < < 35% VBS < 15 > 35% 25 < VBS < 60 1% - 1,5% 4% - 6% 12 < Ip < 25 12% < < 35% VBS > 15 > 35% VBS > 60 1,5% - 2% 4% - 6% Ip > 25 4% - 6% < 12% VBS > 2 / 3% - 5% Les pourcentages dans le tableau sont exprimés en poids sur le poids sec du sol à traiter. Dans le tableau, le traitement est une opération séquentielle à plusieurs agents de traitement: par exemple, un sol (tamis 63 µm > 35% et 12 < Ip < 25, un sol limoneux) est d'abord traité à 1-1,5% de chaux vive et puis à 4-6% de ciment. 5 Une description des différents agents de traitement est fournie dans le document théorique R74/04«Traitement des sols à la chaux et/ou au ciment» (chapitre II.2) 6 Afin d'adapter le délais d'ouvrabilité du sol traité aux besoins du chantier, des liants hydrauliques adaptés pour le traitement de sol selon ENV 13282 peuvent être utilisés. 7 En cas de risque de faibles températures à court terme après traitement, l'utilisation d'un ciment classe 42,5 peut être envisagée. 7
2 Guide pratique Stabilisation des sols pour couches de sous-fondation Une alternative à un traitement séquentiel est l'utilisation des liants spécifiques, contenant une partie de chaux vive et une partie hydraulique (selon ENV 13282 «Hydraulic Road Binders»), qui permettent de réaliser un traitement en une seule phase. Leur domaine d'application et les dosages nécessaires sont à spécifier par le producteur. Nous conseillons fortement de faire une étude de formulation, ce qui permet de vérifier le comportement du sol traité et de déterminer le dosage optimal à appliquer. Toutefois, si une étude n'est pas souhaitée, on peut appliquer les dosages maximaux, mais il faut être conscient des risques encourus (teneur en eau pas optimale, manque de résistance au gel, gonflement, ). Remarques: - Les sols insensibles au gel, c'est-à-dire 0/63 µm < 12% et VBS < 2, sortent du cadre du présent document. Si nécessaire, dans le cas d'une sous-fondation, ils peuvent être traités au ciment. - Les dosages à utiliser dépendent des propriétés du sol, de sa réactivité et du niveau de performance à atteindre. Une étude de formulation permet de quantifier ces influences. - Le tableau comprend des valeurs minimales de chaux vive. Si nécessaire, ces valeurs sont à adapter selon la teneur en eau du sol. - Dans l'étude, il faut pour chaque teneur en chaux vive utilisée, déterminer une nouvelle courbe Proctor afin de connaître son optimum. Pour une variation de la teneur en ciment, il suffit de déterminer une seule courbe Proctor à un dosage maximum, puisqu'une variation de dosage de ciment influence peu la forme de la courbe Proctor. 8
Guide pratique Choix du liant + dosage Détermination de la courbe Proctor normal OPN (8) + portance (CBR / IPI) du sol traité Détermination de la teneur en eau (W OPN ) + densité après compactage (kg/m 3 ) Mise en œuvre de la couche suivante lorsque: R c > 1 MPa (si sol traité au ciment) Détermination de la résistance à la compression R c à 3, 7, 28 et 60 jours. Idem pour 28 jours + 32 jours en immersion (cf. document théorique, chapitre I.3.3.3.) Résistance à l'immersion: R c (28+32j) / R c60 > 0,8 (VBS < 6) R c (28+32j) / R c60 > 0,6 (VBS > 6) Résistance au gel du sol traité à la chaux seule: R c > 2,5 MPa à 60 jours Détermination de la résistance à la traction indirecte R it («essai brésilien») à 28, 60 et 90 jours (cf. document théorique, chapitre I.3.3.2.) Résistance au gel du sol traité: R it > 0,25 MPa à 60 jours Remarques: En principe, le critère de résistance au gel est évalué à 60 jours, mais le délai peut être adapté en cas de risque d'apparition de gel dans la couche traitée en fonction du schéma d'exécution de chantier prévu (printemps, automne). Il faut tenir compte d'une évolution plus lente dans la couche traitée in situ par rapport aux conditions de laboratoire à 20 C, ce qui entraîne des écarts entre les résultats de laboratoire et le chantier. 8 Choix de la densification des éprouvettes. En principe, les éprouvettes sont compactées à W OPN en Proctor normal (100% OPN). Cette densification est toujours exprimée en pourcentage de OPN ou OPM. Elle peut être adaptée en fonction des possibilités de l'entrepreneur d'atteindre ces densités sur chantier. 9
2 Guide pratique Stabilisation des sols pour couches de sous-fondation 5 Exécution La réalisation d'une couche de sous-fondation qualitative implique que le fond de coffre réponde aux exigences de portance (M1 17MPa, CCT RW99 - SB250). Le fond de coffre doit permettre une bonne exécution des opérations: épandage, malaxage, maintien de l'épaisseur et de l'homogénéité et un compactage efficace. Dans certains cas, une amélioration de fond de coffre peut s'imposer. La stabilisation peut être réalisée avec un seul produit (chaux, ciment, liant combiné) ou avec deux agents de traitement différents. Si ces deux agents de traitement doivent être appliqués séparément, on traite d'abord à la chaux afin de floculer et assécher le sol, ce qui facilite l'incorporation du ciment et assure une bonne homogénéité du mélange. Les deux traitements peuvent être exécutés la même journée en respectant un nivellement intermédiaire. Le délai entre traitement à la chaux et traitement au ciment dépend de l'organisation du chantier. L'épaisseur de la couche étalée ne peut dépasser les possibilités du malaxeur et de l'atelier de compactage. Epandage 1) Epandage en couche étalée L'agent de traitement (9) (chaux selon la norme NBN EN 459 et cahiers des charges CCT RW99 - CCT2000 - SB250 et/ou ciment selon la norme EN 197-1, liants selon ENV 13282) est épandu de manière uniforme sur la surface à traiter. 2) Traitement dans une installation annexe ou à l'extérieur du chantier L'incorporation de l'agent de traitement a lieu, dans ce cas-ci, en même temps que le malaxage. Dans les deux cas, le dosage ne peut différer de ± 10 % de la valeur du dosage prescrit. L'opération doit être menée de façon à réduire au maximum la production de poussière. Malaxage Le malaxage a lieu soit dans une installation annexe, soit en couche étalée. D'une manière générale, le traitement en installation annexe présente les avantages suivants: - meilleure homogénéité du mélange; - réduction des émissions de poussière. 10 9 Une description des différents agents de traitement est fournie dans le document théorique R74/04 «Traitement des sols à la chaux et/ou au ciment» (chapitre II.2)
Guide pratique Par contre, le malaxage en couche étalée permet un rendement plus élevé dans des conditions de chantier adaptées, c.-à-d. des grandes surfaces sans obstacles (tuyaux, chambres de visite,etc.). Dans le cas d'un traitement en couche étalée, la couche de sol est malaxée d'une façon intensive après l'épandage, jusqu'à obtention d'un mélange homogène sur toute la surface et dans toute l'épaisseur de la couche traitée (couleur et structure uniformes). Seuls des malaxeurs à outils animés peuvent obtenir une homogénéité suffisante. Le malaxage s'effectue immédiatement (endéans le 1/4 h) après l'épandage pour éviter la dispersion de l'agent de traitement par le vent (ainsi qu'une perte de réactivité dans le cas de la chaux). Il faut veiller à ce que l'humidité du sol après traitement corresponde à l'optimum déterminé par l'étude en laboratoire. Si nécessaire, il faut ajuster la teneur en eau. Un apport d'eau éventuel, après scarification de la surface adaptée à l'argilosité du sol, se fait la veille du traitement afin de permettre au sol d'absorber l'eau (pour des sols très argileux, un délai plus important peut être nécessaire). Le malaxage s'exécute par bandes longitudinales successives. Chaque bande recouvre la précédente sur une largeur minimale de 10 cm. Aussi les bandes longitudinales se recoupent suffisamment pour que les lieux d'arrêt du pulvimixeur ne soient pas des points faibles dans la structure. L'opération est menée de façon à limiter la production de poussière. Compactage Le compactage de sol traité demande une attention toute particulière. La couche est compactée à la densité exigée. Le nombre de passes et le type de compacteur dépendent du type de sol. Dans le cas de feuilletage superficiel dans la couche stabilisée, il faut adapter le type de compacteur (combinaison de rouleau vibrant + compacteur à pneus) et son énergie appliquée, bien veiller le maintien de l'humidité et réaliser un bon rabotage final. Dans le cas de l'utilisation de ciment, le compactage se termine dans les 2 heures après le début de malaxage. Le réglage définitif des couches stabilisées se fait par rabotage sur toute la surface et en aucun cas par comblement des points bas par les matériaux provenant de l'écrêtage des bosses. Ce réglage suit immédiatement le compactage. Protection La protection contre la dessiccation s'effectue en deux phases: - d'abord un arrosage modéré à l'eau de la surface du matériau traité. Cet arrosage s'effectue immédiatement après le dernier passage des engins de compactage; - ensuite une protection de la couche de fondation par une émulsion de bitume de type B à raison de 1 l/m 2 et par un épandage de sable, à raison de 3 kg/m 2. La protection s'effectue au plus tard en fin de journée. Dans le cas d'un traitement au ciment, le délai de la mise en service de la couche traitée est imposé par les études préliminaires. La règle est que la résistance à la compression R c > 1 MPa. 11
2 Guide pratique Stabilisation des sols pour couches de sous-fondation 6 Contrôles Contrôle de l agent de traitement utilisé Au moment de la livraison: vérifier les bons de livraison et contrôler que les agents de traitement répondent aux exigences du cahier des charges. Après stockage: pour la chaux, vérifier la conformité de la réactivité T60 et de la teneur en CaO disponible aux spécifications du cahier des charges. Contrôle de l'exécution Le contrôle de l'épandage se fait ponctuellement par le pesage d'une bâche de 0,5m 2. Un contrôle global peut également être réalisé par le contrôle du poids total épandu sur la surface traitée. Le contrôle de l'humidité du sol traité avant compactage se fait par la détermination de la teneur en eau d'un échantillon retiré de la couche non compactée après traitement. L'épaisseur de la couche après compactage est vérifiée par des sondages dans la couche traitée. En cas de doute, une solution de phénolphtaléine peut indiquer la transition sol traité-sol non traité. Contrôles du malaxage: divers essais de contrôle permettent de vérifier la bonne réalisation du malaxage (profondeur de malaxage, homogénéité du mélange). Nous renvoyons le lecteur au document théorique R74/04 «Traitement des sols à la chaux et/ou au ciment» pour la description de ces essais. Contrôle du mélange Confection des éprouvettes Proctor normal dans un laboratoire et conservation des éprouvettes à 20 C en emballage étanche. Détermination de la résistance sur trois éprouvettes à 60 j. La moyenne doit répondre au critère suivant: Dans le cas d'une stabilisation à la chaux seule: R it > 0,25 MPa R c > 2,5 MPa Contrôle du compactage En surface: essai à la plaque dans le délai prescrit dans le cahier des charges: - le module de compressibilité M1 doit être 35 MPa. (CCT RW99, SB250) Si les résultats ne conviennent pas, il est interdit de recompacter la couche stabilisée si elle est liée au ciment. Dans ce cas, il y a trois options: - suivre l'évolution à court terme (en cas de faible température); - adapter la structure; - enlever la couche stabilisée. 12
7 Normes Guide pratique NBN EN 1097-5 Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats Partie 5: Détermination de la teneur en eau par séchage en étuve ventilée. NF P 94-049-1 Sols: Reconnaissance et essais - Détermination de la teneur en eau pondérale des matériaux Partie 1: Méthode de la dessiccation au four à micro-ondes. NBN 589-207 4 Essais des sables de construction - Teneur en matières organiques. NBN EN 933-9 Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats Partie 9: Qualification des fines - Essai au bleu de méthylène. pren 13286-47 Unbound and hydraulically bound mixtures - Part 47: Test methods for determination of California Bearing Ratio (CBR), Immediate Bearing Index (IBI) and linear swelling. NBN EN 1610 Mise en œuvre et essai de branchements et collecteurs d'assainissement. NBN EN 197-1 Ciment - Partie 1: Composition, spécifications et critères de conformité des ciments courants. NBN EN 459-1 Chaux de construction - Partie 1: Définitions, spécifications et critères de conformité. NBN EN 459-2 Chaux de construction - Partie 2: Méthode d'essai. Dépôt légal: D/2004/0690/3 ISSN 1376-9340 13
Centre de recherches routières Etablissement reconnu par application de l'arrêté-loi du 30 janvier 1947 Boulevard de la Woluwe 42 1200 Bruxelles Tél. : 02 775 82 20 - fax : 02 772 33 74