Durabilité du matériau soil mixing : caractérisation multi-échelle et modélisation. Application aux ouvrages géotechniques.

par Abdelhak Maachi

Projet de thèse en Géotechnique

Sous la direction de Jeanne- Sylvine Guedon et de Véronique Baroghel-Bouny.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec SRO - Sols, roches et ouvrages géotechniques (laboratoire) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le soil mixing consiste à traiter le sol avec un liant hydraulique en le mélangeant mécaniquement en place pour améliorer ses propriétés mécaniques et / ou hydrauliques. Son attrait économique ainsi que son faible impact environnemental ont fait de cette méthode, une alternative compétitive aux méthodes traditionnelles de renforcements des sols, de soutènements (temporaires voire définitifs), de fondations et de travaux d'étanchéité. Au sein de l'IFSTTAR, les premiers travaux sur la méthode du soil mixing employée par exemple pour le renforcement de corps de digue en collaboration avec Soletanche Bachy, se sont concentrés sur les propriétés mécaniques du mélange sol-ciment et son ouvrabilité. Les travaux qui ont suivi, dans le cadre du projet RUFEX (Renforcement et réutilisation des plateformes ferroviaires et des plateformes existantes), ont permis d'approfondir l'étude des propriétés mécaniques et de la mise en œuvre du mélange et d'aborder les aspects lies à sa durabilité. Certaines questions cruciales restent cependant sans réponse notamment des questions relatives à l'évolution des propriétés physico-chimiques des mélanges sol-ciment en raison des réactions chimiques qui se poursuivent pendant la vie du matériau. La cure du matériau aura alors un rôle essentiel sur sa durabilité à long terme (rôle des éléments présents dans le sol tels les sulfates ou dans l'eau qui peut percoler dans le matériau). Le travail de thèse aura pour but de qualifier voire de quantifier la durabilité du matériau soil mixing sous l'effet de conditions et/ou d'environnements défavorables potentiellement rencontrés dans les sols de type urbain, anthropisés, hétérogènes (effet du vieillissement du matériau soil mixing). Le travail touche le domaine des géomatériaux avec une approche multi-échelle en couplant expérimentation et modélisation. Sur ce dernier point, si le matériau soil mixing a jusqu'à présent été traité par une approche de type « mécanique des sols », une approche « béton » sera tentée et les modèles de durabilité développés pour les bétons seront appliqués après modification, si cela s'avère possible. Pour comprendre et modéliser la durabilité, il s'agit de bien comprendre dans un premier temps la composition et l'évolution de la microstructure du soil mixing. Cet objectif passe par l'étape de formulation du matériau adaptée aux lithologies rencontrées (nature des sols en place pouvant contenir des perturbateurs de prise, en particulier les argiles), à l'outil utilisé et à l'application visée. Afin de se rapprocher des cas types rencontrés dans la nature, on focalisera l'étude sur trois matériaux soil mixing constitués respectivement d'argiles (soit de l'illite, de la kaolinite ou de la montmorillonite) et de sable dans une proportion 50/50. Une attention particulière sera portée aux mélanges réalisés in situ en fonction des outils utilisés afin d'essayer de simuler en laboratoire les conditions in situ. En effet, les travaux de recherche menés précédemment à l'IFSTTAR démontrent que la transposition directe des résultats obtenus en laboratoire aux applications in situ reste à améliorer. On soupçonne l'hétérogénéité des mélanges in situ en grande partie responsable des différences observées entre les essais en laboratoire et les essais in situ. Cette hétérogénéité doit également jouer un rôle déterminant sur la durabilité du matériau en modifiant la microstructure et par conséquent la perméabilité et donc les échanges de matière entre le matériau soil mixing et son environnement. Les résultats seront comparés avec des matériaux soil mixing prélevés in situ en fonction des opportunités offertes de chantier. La durabilité du matériau sera évaluée expérimentalement en laboratoire en appliquant plusieurs conditions de cure et de conservation sur les mélanges réalisés en laboratoire voire sur des mélanges sol-ciment prélevés in situ. On étudiera en priorité l'effet de la présence de composés chimiques « perturbateurs » ou « agressifs » dans le sol mélangé et/ou dans le sol encaissant puis transportés par l'eau (de type sulfates, chlorures ou hydrocarbures). Ils peuvent diffuser, s'adsorber ou réagir avec le matériau soil mix. L'effet de la surface de contact avec le sol, des cycles hydriques et thermiques ainsi que l'influence des cycles de chargement-déchargement (le type de chargement subi) ou des vibrations sur la prise et le vieillissement sera exploré en fonction du temps disponible. La dégradation des propriétés mécaniques (RC) et des propriétés hydrauliques (perméabilité) seront les deux principaux paramètres qui seront suivis du point de vue macroscopique. D'un point de vue micro, l'évolution de la microstructure et de la géométrie des pores ainsi que de la minéralogie en lien avec les réactions chimiques pendant des temps de cure de 90, 180 ou 365 jours sera étudiée. A partir de la connaissance de la composition minéralogique (par diffraction de rayons X ou DRX couplées à des analyses chimiques et thermiques) et de la microstructure (porosité à l'air, à l'eau ou par intrusion mercure, observations 2D au microscope électronique à balayage environnemental (MEBE) voire analyses 3D (banc gamma, tomographie de rayons X)), les mécanismes réactionnels ayant lieu au cours de la prise et du vieillissement seront établis. Ces mécanismes devront être introduits ultérieurement dans un modèle de prédiction de la durabilité du matériau (modèle développé dans les approches « béton »). Il s'agit de simuler numériquement l'évolution des propriétés physico-chimiques des matériaux et par conséquent leur influence sur la réponse des ouvrages renforcés par cette technique.

  • Titre traduit

    Durability of soil mixing material : multiscale characterisation and modelling. Application to geotechnical structures.


  • Résumé

    Le soil mixing consiste à traiter le sol avec un liant hydraulique en le mélangeant mécaniquement en place pour améliorer ses propriétés mécaniques et / ou hydrauliques. Son attrait économique ainsi que son faible impact environnemental ont fait de cette méthode, une alternative compétitive aux méthodes traditionnelles de renforcements des sols, de soutènements (temporaires voire définitifs), de fondations et de travaux d'étanchéité. Au sein de l'IFSTTAR, les premiers travaux sur la méthode du soil mixing employée par exemple pour le renforcement de corps de digue en collaboration avec Soletanche Bachy, se sont concentrés sur les propriétés mécaniques du mélange sol-ciment et son ouvrabilité. Les travaux qui ont suivi, dans le cadre du projet RUFEX (Renforcement et réutilisation des plateformes ferroviaires et des plateformes existantes), ont permis d'approfondir l'étude des propriétés mécaniques et de la mise en œuvre du mélange et d'aborder les aspects lies à sa durabilité. Certaines questions cruciales restent cependant sans réponse notamment des questions relatives à l'évolution des propriétés physico-chimiques des mélanges sol-ciment en raison des réactions chimiques qui se poursuivent pendant la vie du matériau. La cure du matériau aura alors un rôle essentiel sur sa durabilité à long terme (rôle des éléments présents dans le sol tels les sulfates ou dans l'eau qui peut percoler dans le matériau). Le travail de thèse aura pour but de qualifier voire de quantifier la durabilité du matériau soil mixing sous l'effet de conditions et/ou d'environnements défavorables potentiellement rencontrés dans les sols de type urbain, anthropisés, hétérogènes (effet du vieillissement du matériau soil mixing). Le travail touche le domaine des géomatériaux avec une approche multi-échelle en couplant expérimentation et modélisation. Sur ce dernier point, si le matériau soil mixing a jusqu'à présent été traité par une approche de type « mécanique des sols », une approche « béton » sera tentée et les modèles de durabilité développés pour les bétons seront appliqués après modification, si cela s'avère possible. Pour comprendre et modéliser la durabilité, il s'agit de bien comprendre dans un premier temps la composition et l'évolution de la microstructure du soil mixing. Cet objectif passe par l'étape de formulation du matériau adaptée aux lithologies rencontrées (nature des sols en place pouvant contenir des perturbateurs de prise, en particulier les argiles), à l'outil utilisé et à l'application visée. Afin de se rapprocher des cas types rencontrés dans la nature, on focalisera l'étude sur trois matériaux soil mixing constitués respectivement d'argiles (soit de l'illite, de la kaolinite ou de la montmorillonite) et de sable dans une proportion 50/50. Une attention particulière sera portée aux mélanges réalisés in situ en fonction des outils utilisés afin d'essayer de simuler en laboratoire les conditions in situ. En effet, les travaux de recherche menés précédemment à l'IFSTTAR démontrent que la transposition directe des résultats obtenus en laboratoire aux applications in situ reste à améliorer. On soupçonne l'hétérogénéité des mélanges in situ en grande partie responsable des différences observées entre les essais en laboratoire et les essais in situ. Cette hétérogénéité doit également jouer un rôle déterminant sur la durabilité du matériau en modifiant la microstructure et par conséquent la perméabilité et donc les échanges de matière entre le matériau soil mixing et son environnement. Les résultats seront comparés avec des matériaux soil mixing prélevés in situ en fonction des opportunités offertes de chantier. La durabilité du matériau sera évaluée expérimentalement en laboratoire en appliquant plusieurs conditions de cure et de conservation sur les mélanges réalisés en laboratoire voire sur des mélanges sol-ciment prélevés in situ. On étudiera en priorité l'effet de la présence de composés chimiques « perturbateurs » ou « agressifs » dans le sol mélangé et/ou dans le sol encaissant puis transportés par l'eau (de type sulfates, chlorures ou hydrocarbures). Ils peuvent diffuser, s'adsorber ou réagir avec le matériau soil mix. L'effet de la surface de contact avec le sol, des cycles hydriques et thermiques ainsi que l'influence des cycles de chargement-déchargement (le type de chargement subi) ou des vibrations sur la prise et le vieillissement sera exploré en fonction du temps disponible. La dégradation des propriétés mécaniques (RC) et des propriétés hydrauliques (perméabilité) seront les deux principaux paramètres qui seront suivis du point de vue macroscopique. D'un point de vue micro, l'évolution de la microstructure et de la géométrie des pores ainsi que de la minéralogie en lien avec les réactions chimiques pendant des temps de cure de 90, 180 ou 365 jours sera étudiée. A partir de la connaissance de la composition minéralogique (par diffraction de rayons X ou DRX couplées à des analyses chimiques et thermiques) et de la microstructure (porosité à l'air, à l'eau ou par intrusion mercure, observations 2D au microscope électronique à balayage environnemental (MEBE) voire analyses 3D (banc gamma, tomographie de rayons X)), les mécanismes réactionnels ayant lieu au cours de la prise et du vieillissement seront établis. Ces mécanismes devront être introduits ultérieurement dans un modèle de prédiction de la durabilité du matériau (modèle développé dans les approches « béton »). Il s'agit de simuler numériquement l'évolution des propriétés physico-chimiques des matériaux et par conséquent leur influence sur la réponse des ouvrages renforcés par cette technique.