COMPORTEMENT DU SOL GONFLANT SUR UNE CHAUSSEE SOUPLE

GENERALITES SUR LES ARGILES

Selon les dénominations courantes, les argiles constituent un minéral de décomposition ou une roche. C’est aussi souvent un sol sous forme d’un mélange complexe plus ou moins homogénéisé. L’argile, en tant que roche naturelle, est compacte et tenace, mais possède une propriété particulière d’être plastique et ductile à l’état saturé. Son volume varie avec son état de siccité, et elle est donc sujette, selon les conditions où elle se trouve placée, au gonflement et au retrait. Sous un autre aspect, l’argile est considérée soit comme un minéral, provenant lui-même de la décomposition des minéraux entrant dans la composition des roches ignées (minéraux appelés Feldspaths), soit comme minéral entrant dans la composition de roches métamorphiques (schistes.) L’argile est constituée essentiellement par des silicates d’alumine hydratés complexes tel que la Kaolinite (2SiO2, Al2O3, 2H2O), mais il existe différentes variétés qui proviennent de la décomposition de minéraux ou de roches diverses. L’argile naturelle constitue rarement un produit pur, et sa complexité chimique est accrue par son mélange avec divers minéraux qui influent sur ses propriétés physiques : sable et silice, calcaire, oxyde de fer … En outre, les propriétés physico-chimiques sont fortement modifiées par la présence de bases alcalines, alcalino – terreuses ou d’acides. • Pour la formation, la constitution et les propriétés chimiques, malgré la variabilité des origines de sa formation; l’origine la plus commune de l’argile est le feldspath, un minéral contenu principalement dans les granites et les porphyres ; mais elle peut se former également à partir des gneiss et micaschistes. Les différentes espèces d’argiles considérées comme pures sont des mélanges de différents hydrosilicates d’alumine, contenant un nombre variable de molécules d’eau de formation ; cette eau chimique est une eau de combinaison qui ne disparaît qu’au rouge, et qu’il faut bien se garder de confondre avec l’eau d’humectation, qui disparaît par étuvage vers 105° C. L’argile pure, mélange de différents hydrosilicates d’alumine, sans inclusion d’éléments étrangers, est blanche. 4 La Kaolinite (2SiO2, Al2O3, 2H2O) est le composant plus courant de l’argile, mais elle ne donne pas à l’argile un caractère colloïdal plus prononcé. Parmi les autres composants, tels que l’halloysite, la collyrite, l’allophane etc…On peut noter, pour certains, des propriétés colloïdales plus accusées : c’est le cas de l’halloysite, les montmorillonnites et les bentonites. • Pour les propriétés physiques et physico-chimiques, les argiles ont une densité variable dépendant de la teneur en eau d’humectation. Cette densité est de l’ordre de 20 à 23 KN/m3 sans toutefois dépasser 25 KN/m3 à l’état de roche naturelle. L’argile est très hygroscopique, et ses pores, d’une finesse correspondant à un diamètre moyen d’environ 50 mµ (1/20000 de mm) donnent lieu à une remontée capillaire de l’eau sous une pression élevée, mais avec un débit très faible en raison de l’influence de la viscosité du liquide. La propriété la plus curieuse de l’argile est son aptitude à former des pâtes plastiques en présence d’eau. Cette plasticité est due à un ensemble de particularités d’ordre physiques et physico-chimiques. La cause de ce comportement est le degré élevé de finesse des grains d’argiles qui sont inférieurs à 2 microns et vont jusqu’à une dimension plus courante de 1/5 de micron. Elle peut être aussi d’ordre morphologique et de nature capillaire. L’argile pure est composée d’au moins 85 % de silicate d’aluminium hydraté cristallisé sous forme de micro cristaux mono- cliniques, du système hexagonal, ayant l’aspect de minces paillettes ; Entre ces lamelles qui se placent parallèlement, l’eau capillaire s’insère en couche d’épaisseur « e » extrêmement faible, et la tension effective entre deux lamelles séparées de l’air par un ménisque est de la sorte très élevée. En synthétisant, la plasticité est donc due à une action d’affinité superficielle, très active en raison de la grande surface spécifique (S = 60.000 cm²/g) pour des paillettes d’une dimension de l’ordre du micron et avec une épaisseur dix fois moindre. L’accroissement de la cohésion se traduit par une absorption notable d’eau, fixée rigidement avec orientation des molécules à l’interface (les molécules d’eau étant douées de polarité) et diminuant ainsi le diamètre effectif des capillaires pour l’eau libre de circulation Le retrait de l’argile est rendu possible par le départ d’eau d’humectation qui coïncide avec la cessation de l’effet capillaire dû à la pression. Et vice versa le phénomène de gonflement est engendré par la tension effective due à l’insertion de l’eau capillaire.

LES ARGILES GONFLANTES

Les sols argileux instables préoccupent les bâtisseurs et chercheurs, du moment que ces derniers occupent d’assez larges étendues dans le monde, et sous des contraintes climatologiques présentant des alternances saisonnières très contrastées (marnes et calcaires de Mahajanga ; black – Cotton soils et régurs indiens ; sols margalithiques indonésiens ; les marnes d’Algérie … ) Ils provoquent des dégradations assez considérables sur les ouvrages et les infrastructures routières en raison des fortes variations volumiques qu’ils subissent. L’acuité des phénomènes a conduit à la recherche de remèdes aux effets de cette instabilité et des potentiels de gonflement qui l’accompagnent.

Minéralogie et gonflement

Les argiles sont des silicates d’Aluminium plus ou moins hydratés, micro cristallins à structure en feuillets (phyllosilicates). De la disposition des feuillets découlera des propriétés particulières. Ainsi la relation entre la particule d’argile et la molécule d’eau est très complexe. Schématiquement, les faces négatives des particules attirent les molécules d’eau par leurs extrémités positives. Il en résulte une première couche d’eau liée. Plus on s’éloigne de la particule argileuse, moins les molécules d’eau sont orientées, c’est l’eau libre.(Fig.1) Figure 1 : relation entre particule d’argile et molécules d’eau [1] 5 Les argiles, dont la structure fait intervenir des cations saturateurs type Mg++, Ca++, Na+ sont susceptibles de gonfler. Le cation en milieu hydraté s’entoure de dipôles d’eau, il en résulte une augmentation de l’espace inter foliaire. C’est ce qui explique le gonflement.(Fig. 2) Figure 2 : Position des cations en milieu hydraté Celui-ci est variable suivant la nature du cation comme la montrent les mesures sur une montmorillonite dont les cations échangeables sont Ca++ et Na+ . 6 o Figure 3 : Variation de l’équidistance (en A) en fonction de l’humidité relative (Ca++ et Na+ ) En fonction de leurs compositions cationiques, les argiles seront ainsi plus ou moins gonflantes. On distingue par ordre décroissant de gonflement, les montmorillonites sodiques puis les montmorillonites calciques, les illites et enfin les halloysites (Kaolinite hydratée). Les paramètres du gonflement d’un sol ne sont qualifiables qu’à l’échelle de l’éprouvette; plusieurs types d’essais sont possibles, leur représentativité du comportement du sol en place est discutable.

Circulation d’eau dans les argiles gonflantes

L’eau gère la variation volumique des argiles gonflantes d’où son importance, il en est de même pour le comportement mécanique de ces sols. Ceux-ci ont, pour une teneur en eau et une densité correctement choisie, des propriétés mécaniques capables de répondre à un certain nombre d’exigences mais la teneur en eau peut fortement varier sous certaines conditions : précipitation, remontées capillaires, écoulement de la nappe, … dans ces conditions, les propriétés mécaniques varient considérablement. 7 L’écoulement de l’eau, dans un sol saturé ou non suit la loi de Darcy généralisée qui s’écrit : [1] Avec : V = vitesse d’écoulement K ( θ ) = perméabilité non saturée dépendant de la teneur en eau ϕ = potentiel ou charge hydraulique Avec : P = pression de l’eau Ψ = succion γw = densité de l’eau (1Kg/m3 ) Z = cote par rapport à une référence Dans cette écriture du potentiel, on ne tient compte que de la gravité; on néglige les potentiels osmotiques, thermiques, etc. … Deux aspects du matériau argileux doivent être soulignés. La courbe de succion représente la teneur en eau d’équilibre au-dessus d’une nappe. Elle est caractérisée, contrairement au sable, par une courbe en générale très raide qui traduit le caractère peu drainant du matériau. Cette courbe présente des teneurs en eau bien supérieures à celle d’un sable.