CARACTÉRISATION DU COMPORTEMENT DE RETRAIT-GONFLEMENT DE L ARGILE DE BAVENT

CARACTÉRISATION DU COMPORTEMENT DE RETRAIT-GONFLEMENT DE L ARGILE DE BAVENT CHARACTERISATION OF THE SWELLING-SHRINKAGE BEHAVIOUR OF BAVENT CLAY Myriam DUC 1, YuJun CUI 2, Anh-Minh TANG 2, Lamis MAKKI 1, Jean-François SERRATRICE 3, Hélène CALISSANO 3, Gilles BERTAINA 4, Philippe REIFFSTECK 1, Valéry FERBER 5, Matoren KHAY 6, Aurélie MALOULA 1, Jean-Pierre MAGNAN 1. 1 Université Paris-Est, LCPC-Paris, France 2 Université Paris-Est, École des Ponts, CERMES, Marne-la-Vallée, France 3 CETE Méditerranée, Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées, Aix-en-Provence, France 4 CETE Normandie-Centre, Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées, Rouen, France 5 LCPC-Nantes, France 6 CETE Normandie-Centre, Centre d'expérimentation Routière (CER), Rouen, France RÉSUMÉ Le comportement de retrait-gonflement de l argile de Bavent provenant d un remblai expérimental a été caractérisé à partir d essais d identification, mécaniques et physicochimiques réalisés dans plusieurs laboratoires. La communication présente une synthèse de ces données expérimentales et des conclusions quant au caractère gonflant de l argile. ABSTRACT The swelling and shrinkage behaviour of the Bavent clay taken from an experimental embankment was characterized by means of identification, mechanical, physical and chemical tests. The paper summarizes these experimental data and comments on the expansive character of the clay. 1. Introduction Cette communication rapporte le déroulement et les conclusions d une étude effectuée dans les laboratoires des ponts et chaussées pour vérifier que les procédures d essais de caractérisation du retrait et du gonflement des sols appliquées par des opérateurs différents dans ces laboratoires donnaient une image cohérente du comportement d un même sol. Cette étude s inscrit dans le cadre du projet ANR ARGIC «Analyse du Retrait-Gonflement et de ses Incidences sur les Constructions» et des recherches du LCPC sur la sécheresse. L étude a été effectuée sur un matériau appelé «argile de Bavent», utilisé au CER de Rouen pour construire un remblai expérimental et provenant d une carrière de brique exploitant cette argile. Il s agit d une argile compactée. Les études ont été effectuées au LCPC (Paris et Nantes), au CERMES, aux laboratoires d Aix-en-Provence et Rouen et au Centre d Expérimentation Routière (CER) de Rouen. 2. Méthodologie de caractérisation de l argile de Bavent Le matériau utilisé pour cette étude est un mélange de plusieurs extractions de la carrière de Bavent (région de Rouen). Ces prélèvements ont été mélangés et ensuite utilisés pour construire le remblai et pour fabriquer des blocs témoins. L argile du remblai a été compactée à l optimum Proctor normal (norme NF P94-093) : teneur en eau de 19,6% et masse volumique sèche de 1,71 Mg/m 3. Les blocs de référence notés A 0 ont été confectionnés par compactage dynamique à l énergie Proctor normale du côté humide de l optimum, soit w = 24%). Après la fin de l étude du remblai, dont une partie a été soumise à un cycle d humidification et de séchage et le reste a servi de massif de référence, le remblai a été découpé en blocs qui ont servi, comme les blocs A 0, aux essais présentés dans cette communication : les blocs A proviennent 265

de la partie témoin du remblai et les blocs B de la partie du remblai ayant subi le cycle d humidification et séchage. Les différents laboratoires impliqués dans l étude ont reçu soit des blocs A, soit des blocs B. Ces blocs ont été paraffinés et conservés en chambre à température contrôlée. Les essais sur les blocs A 0 ont été réalisés antérieurement dans le cadre des thèses d Alshihabi (2002) et Windal (2002). L argile de Bavent se présente dans son état naturel sous l aspect d une argile de couleur gris-beige à bleutée lorsqu elle est humide (blocs A 0 ). Les échantillons testés (blocs A et B) apparaissent, par contre, bigarrés avec des zones gris-beige à verdâtres avec des passages ocre et des inclusions gypseuses. Les principales caractéristiques de l argile de Bavent compactée, qui appartient à la classe GTR A2/A3 sont indiquées dans le Tableau I avec les normes ou méthodes qui ont permis de les obtenir. Tableau I. Synthèse des caractéristiques de l argile de Bavent. Les résultats ont été obtenus sur les blocs A et B, sauf ceux marqués d un astérisque qui proviennent des travaux d Alshihabi (2002) sur les blocs A 0. Essais Normes ou méthode Teneur en eau initiale NF P94-050 Paramètres d identification géotechnique 14,6 à 18,9 % en moyenne avec un minimum de 9% et un maximum de 20,6% Masse volumique du sol sec ρ d NF P94-053 1,70 à 2,06 Mg/m 3 (*) 1,63 Mg/m 3 Masse volumique des particules solides ρ s NF P94-054 2,70 à 2,77 Mg/m 3 NF P94-056 ou Granulométrie par tamisage Granulométrie par sédimentométrie Limites d Atterberg Limite de retrait w s (sol remanié ou non) NF P94-041 NF P94-057 ou sédigraphe ou diffraction laser NF P94-051/52 NF P94-060-1 / 2 Serratrice (2001) Makki (2008) <80 µm 92,5 à 95% >5 mm 0,1 à 2,3% < 2µm 42 à 51% (*) 17.5 % w l % w p % I p Valeur de bleu NF P94-068 4 à 5 g/100g Porosimétrie au mercure Essais Composition minéralogique : DRX, ATD-ATG Teneur en carbonates Teneur en matières // Normes ou méthodes Voinovitch (1971) 44 à 50 (*) 44 18 à 23 (*) 28 23 à 31 (*) 16 10,1 à 12,5 % avec un degré de saturation initial variable Porosité totale P t = 25%. Grande hétérogénéité. Porosité importante. Distribution des pores bi-modale. Paramètres chimiques, minéralogiques et texturaux Quartz, 13,5% de calcite (ATG), présence de gypse, argiles (muscovite 50%, kaolinite 17,9% (ATG), sépiolite 30%) NF P94-048 15,6 % (ATD-ATG = 13,5 %) NF P94-055 4% (ATD-ATG 1 % ) organiques CEC NFX31-130 10,7 meq/100g Surface spécifique Porosimétrie Hg 14 m 2 /g 266

Texture au MEB environnemental et analyse élémentaire semi-quantitative par EDX Observation sur la Figure : argile de texture assez homogène avec la présence d agrégats de particules argileuses sous la forme de feuillets. Détection par EDX de Si, Al, Fe et Mg comme composantes majeures de l argile avec Ca et K ( 2%) ainsi que Na ( 0.5%) comme cations compensateurs majoritaires. Du soufre est également détecté associé à du gypse (des amas de particules sont visibles) 50µm 20µm Figure 1. Observation au microscope électronique à balayage environnemental de la texture de l argile de Bavent constituée d agrégats de feuillets. Les paramètres d identification géotechnique montrent une hétérogénéité de l argile de Bavent compactée. Cette hétérogénéité est liée en partie aux différences entre les blocs A 0, A et B qui ont subi des préparations et des traitements variables. La principale différence enregistrée entre les blocs A et B est liée à leur porosité, qui est importante avec des pores > 60 µm (non quantifiés). Leurs indices des vides sont cependant quasi-identiques. Une distribution bi-modale des pores, avec deux familles de pores présentant des diamètres de l ordre de 20 nm et 700 nm, est mise en évidence par la porosimétrie au mercure. Le cycle d humidification-séchage subi par les blocs B, contrairement aux blocs A servant de référence, semble avoir entraîné la disparition des pores les plus grands au profit de la famille des petits pores. L argile reste non saturée dans les deux cas (en moyenne S r = 70-85%). Les blocs A 0 présentent des caractéristiques sensiblement différentes de celles des blocs A et B. Si les blocs A et B ont finalement des propriétés relativement proches (teneurs en eau, poids volumiques de l argile compactée, granulométrie et sédimentométrie avec 42 à 51% de fines <2µm), une hétérogénéité apparaît au niveau des caractéristiques mesurées pour un même type de bloc. Cette hétérogénéité est associée, d une part, aux protocoles (normes ou méthodes appliquées) utilisés et aux opérateurs qui ont effectué les mesures dans chaque laboratoire et, d autre part, à l hétérogénéité du matériau lui-même. Alshihabi (2002) a montré par exemple une variation des caractéristiques suivant la couleur de l échantillon. Le mode de conservation des échantillons peut également entraîner une modification de l état initial du sol testé et donc des paramètres déterminés (Ferber, 2005). La variation des teneurs en eau est par ailleurs cohérente avec les observations sur site où des variations à l échelle décimétrique sont enregistrées. Finalement, ces premiers résultats montrent la nécessité de réaliser un nombre d essais suffisant afin de rendre compte de la variabilité statistique des propriétés d un sol et cela d autant plus que ce sol est hétérogène. 267

3. Application à l argile de Bavent des classifications des sols sensibles au retrait gonflement À partir des paramètres du tableau I et des classifications des sols argileux proposées par différents auteurs, une estimation du potentiel de gonflement de l argile de Bavent compactée été effectuée (Tableau II). Selon la classification utilisée, l argile de Bavent compactée est peu à très sensible au retrait-gonflement. Cette variabilité indique que les paramètres d identification géotechnique accompagnés éventuellement de paramètres physico-chimiques ne sont pas suffisants pour déterminer de manière correcte et ciblée la sensibilité d un sol argileux au retrait-gonflement. Cette variabilité des résultats issus des classifications a déjà été notée par de nombreux auteurs, par exemple Johnson et Snethen (1978) qui ont étudié une vingtaine de sols considérés comme gonflants. Tableau II. Application des classifications à l argile de Bavent. Potentiel de Classification Paramètres gonflement Altmeyer (1955)* W S Critique Rangaratham et Satyanarayana (1963)* I S Fort Seed et al. (1962)* I P Moyen Classification SNEP ou ASTM D4546-03 (méthode A) 0 ε SW Faible Classification BRE (Building Research Establishment) I P, %<2µm Moyen Classification EPA (US Environmental Protection Agency) A c, CECc Faible Chen (1988)** w L, %<74µm Fort Williams et Donaldson (1980) I P, %<2µm Moyen Holtz et Gibbs (1956) w s, I P, %<2µm Très fort Dakshanamurthy (1978)* w L, w S, I P Moyen *cités par Bultel (2001) ** cités par Windal (2001) En conclusion, les classifications disponibles ne permettent pas de prévoir le potentiel de gonflement de l argile de Bavent ni, de façon plus générale, celui de la majorité des sols courants. Classer les sols gonflants à partir de la seule valeur d un indice tiré d une mesure indirecte de reconnaissance réalisée le plus souvent sur le sol remanié est en effet difficile. La texture et éventuellement la cimentation des grains (comme par exemple dans le cas des marnes) sont ignorées alors qu il s agit de deux paramètres importants et qui ne peuvent être reproduits en laboratoire car ils sont intimement liés à l histoire géologique du sol. Il est donc indispensable de réaliser des essais mécaniques de retrait ou de gonflement pour caractériser les sols sensibles de façon fiable. 4. Caractérisation du retrait-gonflement et de la compressibilité 4.1 Retrait Deux méthodes ont été appliquées pour étudier le phénomène de retrait. Dans la première méthode, la courbe de rétention d eau de l argile a été déterminée, soit avec contrôle de succion par la méthode en phase vapeur en suivant le chemin de séchage, soit en utilisant la courbe porosimétrique au mercure. Ces essais ont permis d estimer le point d entrée d air du matériau à une succion de 2 MPa environ. 268

Dans la seconde méthode, le sol a été séché en suivant la variation de la teneur en eau et la déformation axiale ou bien volumique correspondante. Dans le cas du suivi de la déformation axiale, on a converti cette mesure en déformation volumique en supposant que la déformation axiale est égale au tiers de la déformation volumique. On observe sur la figure 2 qu à l exception de l essai repéré par des losanges pleins, les autres essais ont donné des résultats assez proches et on peut situer la limite de retrait entre 11 et 14%. e indice des vides 0.7 0.6 0.5 0.4 retrait calculé à partir des courbes de succion norme sur sol remanié XP P94-060-2 retrait axial retrait volumique 0.3 ligne de saturation 0.2 0 4 8 12 16 20 24 28 teneur en eau % Figure 2. Courbe de dessiccation de l argile de Bavent 4.2 Gonflement Parallèlement aux essais de retrait, des essais de gonflement selon plusieurs méthodes ont été réalisés. Les pressions de gonflement obtenues par les différents laboratoires sont présentées dans le tableau III, ainsi que les principales caractéristiques mécaniques déduites de ces essais. On note que les pressions de gonflement varient suivant la méthode appliquée (l opérateur et l hétérogénéité des blocs testés jouant également un rôle). En effet, les essais de gonflement en parallèle à l'œdomètre suivant la norme XP P 94-091 (Figure 3) donnent une pression de gonflement σ g (pression correspondant à une déformation nulle) allant de 75 kpa à 216 kpa. L essai de gonflement libre (norme ASTM) donne une pression de gonflement de 94 kpa et un potentiel de gonflement de 2,9%. Cette valeur est inférieure au seuil de 4% et fait de l argile de Bavent une argile non gonflante à faiblement gonflante selon la classification de l ASTM (Tableau II). Un essai de compressibilité à gonflement initial empêché est également présenté sur la figure 4. Le gonflement a cessé de soulever le piston pour une pression appliquée comprise entre 126 et 200 kpa. Selon Sridharan et al. (1986), les essais de gonflement en parallèle sous-estiment en général la pression de gonflement contrairement aux essais de gonflement libre qui les surestiment alors que les essais de compressibilité à gonflement initial empêché donnent des pressions de gonflement intermédiaires. La pression de gonflement est donc une caractéristique qui dépend fortement du chemin de chargement et de l état initial. Les données présentées ici sont moins bien classées. Par ailleurs, les analyses minéralogiques réalisées (Tableau I) ont montré que l argile de Bavent ne contient pas de smectite, argile à feuillets présentant un gonflement cristallin important. Le gonflement observé lors des essais de chargement/déchargement n est donc pas 269

lié à la pénétration de l eau entre des feuillets, en accord avec les observations au microscope électronique environnemental, qui ne montrent pas de variation de la taille des particules argileuses lors d une humidification. Tableau III. Synthèse des essais mécaniques sur les blocs intacts d argile de Bavent compactée (teneur en eau w i = 14,6 à 18,9 % et indice des vides e o = 0,5-0,6 (matériau non remanié avant essai sauf mention contraire). Essais Normes Paramètres mécaniques Essais œdométriques de gonflement / effondrement en parallèle Autres procédures d essais de gonflement à l œdomètre Essais œdométriques (courbe de compressibilité) XP P94-091 ASTM D4546-03 méthode A XP P94-090-1 Non normalisé (LRPC Aix en Provence) Compressibilité sur sol non saturé σ g = 200 kpa (Essai a) σ g = 95 kpa (Essai b) σ g = 75 kpa (Essai c) σ g = 84 kpa (résultats issus de différents laboratoires) Essai de gonflement libre puis chargement - déchargement ε = 2,9-3,3%, σ g= 94 kpa 0 SW Voir figure 4. Essai 1 σ' p = 160 kpa, C c =0,09, C s = 0,02 Argile déstructurée (courbe 3) w i =68%, e o = 1,9, C c = 0,331, C s = 0,076 Essai de compressibilité à gonflement initial bloqué (courbe 2) σ g = 120 kpa, σ p = 200 kpa C c =0,34 C s = 0,08 Essai œdométrique K o drainé à haute pression C c =0,169 - C s = 0,005 - σ p = 652 kpa - e p = 0,49 (w i =20%) σ p = 110 kpa 0.7 Indice des vides 0.65 0.6 σ g =200 kpa σ g =95 kpa σ g =75 kpa 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 1 10 100 1000 Contrainte verticale (kpa) 10 100 1000 Contrainte verticale (kpa) 1 10 100 1000 Contrainte verticale (kpa) Essai a Essai b Essai c Figure 3. Essais de gonflement sous charge selon la norme XP P94-091 réalisés par différents laboratoires ( : état initial avant essai; : état après le chargement à sec; état final après gonflement). 270

4.3 Compressibilité Des essais œdométriques (norme NF P94-090-1) complètent l analyse du comportement de l argile de Bavent. Les valeurs des indices de compression et de gonflement sont présentées dans le tableau IV. Là encore des différences apparaissent entre les résultats obtenus par les différents laboratoires impliqués dans cette étude. Au niveau des courbes de compression avec chargement et déchargement (Figure 4), on peut constater, contrairement à ce qui est observé sur des sols non gonflants, que le déchargement ne se fait selon une courbe avec un gonflement qui paraît accéléré dans la gamme des faibles contraintes. En conséquence, l indice des vides final dépasse l indice des vides initial. Ce phénomène pourrait être expliqué par le fait que, lors du chargement, les particules d argile deviennent de plus en plus parallèles, ce qui favorise l interaction physicochimique entre ces particules et donc le gonflement du sol. Indice des vides 1.2 1.1 1 0.9 3 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 2 1 1 10 100 1000 10 4 Contrainte verticale (kpa) Figure 4. Essais de compression œdométrique sur l argile telle qu elle a été stockée après le démontage du remblai ( et : courbes obtenues par différents laboratoires) et sur une éprouvette reconstituée avant l essai à une teneur en eau de 68% ( ). Enfin une courbe de compressibilité a été obtenue sur l argile de Bavent déstructurée et reconstituée à une teneur en eau w i = 68% et un indice des vides e o = 1,9. Le comportement de ce nouveau matériau diffère sensiblement de celui de l argile compactée intacte. Il est très compressible mais conserve des indices des vides supérieurs à ceux du matériau non déstructuré. L étude de sols «intacts» est donc nécessaire si l on veut décrire de manière correcte les propriétés de gonflement de ces sols. 6. Conclusions Les études réalisées sur l argile de Bavent compactée dans un moule Proctor, compactée au rouleau dans un remblai réel et soumise ou non à un cycle d humidification et de séchage ont montré que ses propriétés physiques et mécaniques présentent un certaine hétérogénéité, qui peut provenir soit de l hétérogénéité naturelle du sol, soit des procédures d essai, soit de l opérateur des essais. Néanmoins, toutes ces données confirment que l argile de Bavent n est pas une argile particulièrement gonflante. Ce point n est pas clairement déduit des classification existantes pour les sols sensibles au retrait et gonflement, ce qui renforce l idée qu il est indispensable de réaliser des essais mécaniques de retrait ou gonflement sur les sols intacts 271

pour intégrer l effet de leur histoire et de leur structure, qui ne sont pas toujours liées uniquement aux paramètres de consistance utilisés dans ces classifications. 7. Références bibliographiques Alshihabi O. (2002). Étude en laboratoire du comportement d un sol compacté non saturé. Influence des cycles de séchage - humidification. Thèse de doctorat, Université des Sciences et Technologies de Lille, 125 pages. Bultel F. (2001). Prise en compte du gonflement des terrains pour le dimensionnement des revêtements des tunnels. Thèse de doctorat, École Nationale des Ponts et Chaussées, 290 pages. Ferber V. (2005). Sensibilité à l'humidification des sols compactés. Apport d'un modèle de microstructure. Thèse de doctorat, École Centrale de Nantes, 285 pages. Holtz W.G., Gibbs H.B. (1956). Engineering properties of expansive clays. Transactions of American Society of Civil Engineers, vol. 121, pp.641-677. Johnson L. D., Snethen D. R. (1978). Prediction of potential heave of swelling soil, Geotechnical Testing Journal, vol. 1, n 3, pp.117-124. Makki L., Duc M., Droniuc N., Reiffsteck P., Maloula A., Magnan J-P. (2008). Essai de retrait pour une meilleure classification de la sensibilité des sols soumis à la sécheresse, Symposium international Sècheresse et constructions 2008, Paris. Serratrice J.F., Vallanchon H. (2001). Argile de Bavent. Essais de laboratoire, LCPC Thème GEO37, 1-37-02-0, rapport CETE Méditerranée, jfs i01-344, 152 pages. Serratrice J.F., Soyez B. (1996). Les essais de gonflement, Bulletin des laboratoires des Ponts et Chaussées, n 204, pp. 65-85. Sridharan A. Sreepada R., Sivapullaiah P.V. (1986). Swelling pressure of clay, Geotechnical Testing Journal, vol. 9, n 1, pp. 24-33. Voïnovitch I.A. (1971). L analyse minéralogique des sols argileux. Éditions Eyrolles, Paris, 93 pages. Williams W.A.A.B., Donaldson G.W. (1980). Building on expansive soils in South Africa: 1973-1980, Proceedings 4 th International Conference on Expansive Soils, Denver, pp.834-844. Windal T. (2001). Étude en laboratoire du gonflement des sols : mise au point d'un œdomètre flexible et étude du gonflement tridimensionnel. Thèse de doctorat, LML, EUDIL, Université des Sciences et Technologies de Lille, 128 pages. 272