Propriétés du produit Soilmix -...

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Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 1

Propriétés du produit SoilmixPh. Reiffsteck, A. Le Kouby, F. Szymkiewicz, A. Guimond-Barrett, A. Pantet

Journée d’étude Franco-Belge "Soutènements" Lille – 12/05/2011Philippe REIFFSTECK


Soil mixing

On est confronté:• Diversité des techniques

– Outils à hélices– Outils à pales– Outils à couteaux

• Cinématique de cisaillement :– Giratoire– Linéaire– Convergent

• Difficultés – Compromis entre

désagrégation et malaxage– Puissance et encombrement

importants des machines

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Soil mixing

On est confronté:• Diversité des pratiques

– Essais de laboratoire• Méthode de préparation (malaxeur, temps, incorporation de l’eau)• Méthode de conservation (immersion, humide, atmosphère contrôlée,

cycles)• Protocole d’essai (monotone, cyclique)

– Prélèvements • En surface (spoil)• En profondeur (prélèvement dans le frais, carottage durant la prise)

– Essais en place• Arrachement de barre, profils• CPT• pressiomètre


Facteurs influant sur la résistance du solmix

(d’après Terashi, 1997)• I. caractéristiques de l'agent de stabilisation

– 1. Type d'agent de stabilisation– 2. Qualité– 3. Eau de mélange et additifs

• II. caractéristiques et conditions de sol (particulièrement important pour les argiles)– 1. propriétés physico-chimiques et minéralogiques du sol– 2. teneur en matières organiques– 3. pH de l'eau interstitielle– 4. teneur en eau

• III. conditions de malaxage – 1. Degré de malaxage – 2. Temps de malaxage et de re-malaxage – 3. Quantité d'agent de stabilisation

• IV. conditions de cure – 1. Température– 2. Temps de séchage– 3. Humidité– 4. Cycles humidification - séchage / gel - dégel, etc

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Dosage et formulation• Le Soil-mixing se situe entre deux méthodes très répandues :

- en béton de structure- en terrassement

• Les méthodes du soil-mixing sont actuellement empiriques et résultent principalement de la pratique. Deux grandes voies :

– élaboration d’un dosage par tâtonnement à partir d’une valeur initiale issue des retours d’expérience

– corrélations entre les dosages et les Rc obtenus sur certaines texturesLeur capacité à prédire le comportement du matériau élaboré est relativement faible (difficulté à proposer des valeurs caractéristiques).

• Validation de la méthode de dosage. Deux grandes voies :– à partir de mélanges préliminaires faits en laboratoire,– à partir de vérification des paramètres d’exécution et de prélèvements de surface (le

problème est qu’en fonction de la texture du sol et de la machine l’écume - spoil – n’est pas représentative et cela fausse les corrélations).

– des essais sur éprouvettes issus de carottages faits dans les ouvrages,

• La connaissance des caractéristiques des sols et des méthodes d’exécution devrait permettre de proposer à l’issue de cette étude une méthode de dosage adaptée au soil-mixing.


Impact des propriétés du sol

• Définir le pourcentage de ciment optimal pour :• annuler l’activité de la fraction argileuse indésirable• fournir les liaisons inter-agrégat conduisant à la résistance exigée par

l’ouvrage

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rc28 (kPa)

C (kg/m3) Argiles japonaiseslimonstourbeargilegravier+sablesable havrelimons vasards du havreGyttjaArgile de Finlande

Argile et silts organiques

Tourbe

Argiles et silts

ilSilts

Sables

Graviers

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Rc 28 (kPa)

C (k

g/m

3) ADPKaoliniteFontainebleau-Kaolinite (25%-75%)Fontainebleau-Kaolinite (50%-50%)Fontainebleau-Kaolinite (75%-25%)SilicaFFontainebleau-SilicaF (50%-50%)Fontainebleau-SilicaF (75%-25%)VemarsFontainebleauTrielFréjus

Argile et silts organiquesTourbe Argiles et silts

argileux

Silts sableux

Sables

Gravier

Nécessité d’avoir un troisième axe pour tenir compte de la teneur en

eau ?

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Protocole de malaxage

• Protocole : géométrie, temps, ordre– Représentativité ?

– Importance des protocoles issus de la pratique des pays utilisant principalement le soil mixing comme amélioration de sols organiques compressibles

s’en affranchir ?

ouou ou


Protocole de malaxage

• Représentativité ?– Dépend de l’outil et du sol

chantier labo

E = 199,56 RC

R2 = 0,7763

050

100150200250300350400450500

0 0,5 1 1,5 2 2,5RC (MPa)

E (M

Pa)

chantier

laboratoire

5


Protocole de malaxage• Évolution de la teneur en eau du limon traité au ciment en fonction

du temps– Quantité de ciment : 320kg/m3

– C/E total visé : 0,35 – Préparation du mélange : sol sec + ciment, puis eau– Temps de malaxage : 10 minutes – Vitesse de rotation : 62 tr/min

3032343638404244464850

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Temps (jours)

Tene

ur e

n ea

u w

n (%

)

C320W48

C265W40

C320W48 1 min

C320W48 coulis

C320W48 coulis 4h

C210W39,5


Protocole de conservation• Influence des conditions de cure

Conservation pendant 7j dans sacs étanches

Dessiccation T=20°C Hr=30%

Cycles humidification/séchage

Immersion

Sacs étanches

Rc à 28j et 90j

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Protocole de conservation• Déformation à la rupture du solmix

0

1

2

3

0 5 10 15 20 25qu (kPa)

Failu

re s

trai

n (%

)Fontainebleau

Triel

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 500 1000 1500 2000 2500

Rc (KPa)

Déf

orm

atio

n à

la r

uptu

re (%

)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Rc (KPa)

Défo

rmat

ion

à la

rup

ture

(%)

Sacs étanches

Immersion

Atmosphère controlée

Cycles ASTM

C320W48

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Rc (kPa)

Déf

orm

atio

n à

la ru

ptur

e (%

)


Protocole de conservation

• Relation module résistance à la compression– Fontainebleau, Jossigny

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 2 4 6 8 10 12Rc (MPa)

E 50 (

MPa

)

Cure endogène (A)

Cure dans l'eau (B)

Cure à l'air (C)

Cycles humidification/séchage (D)

Jegandan et al (2010)

E50 = 55 Rc

E50 = 160 Rc

0

50

100

150

200

250

300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Rc (MPa)

E 50 (

MPa

)

Cure endogène (A)Cure dans l'eau (B)Cure à l'air (C)Cycles humidification/séchage (D)Cure endogène C320W48Boston Blue Clay

E50 = 300 Rc

E50 = 55 Rc

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Formulation• Fraction granulaire

– Granulats et agrégats

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 20 40 60 80 100% de fines (en volume)

indi

ce d

es v

ides

dpetit=3,15 mmdpetit=0,91 mmdpetit=0,66 mmdpetit=0,48 mmdpetit=0,28 mmdpetit=0,19 mmdpetit=0,16 mmmélanges billes 1,5mm/8mmmélanges sable/argile

limite supérieure

grosses particules dgros=3,15 mm

emin

Cr

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 20 40 60 80 100Pourcentage des fines (%)

e

ThéorieExpérimentation

sable et argile

Différents sols

Modèle de l’empilement granulaire (MEC) acceptable pour les sols

T

L S

volu

me

tota

l (so

lides

et v

ides

)

volume des vides

volume des particules fines

volume des grosses particules

0% 100%pourcentage de la fraction fine

L S

remplacement des solides

0% 100%pourcentage de la fraction fine

remplissage des vides

Temin (T)

emin

LT T TS


Formulation• Exemple de résultats

• Plus grande résistance pour un mélange sable de Fontainebleau - Kaolinite 75/25 que pour un mélange 100/0 rôle de la structure granulométrique confirmé

• Application à d’autres sables et argiles

• Intégration de résultats provenant de chantiers SBF (principalement prélèvements en surface) : Vémars, Montereau, Triel, Honfleur, Fréjus, Eguzon, Ebange

(Nina, 1977)ciment

??

mélange Fontainebleau Kaolinite à 210 kg/m3

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 20 40 60 80 100pourcentage de sable (%)

rési

stan

ce à

la c

ompr

essi

on s

impl

e R

c (k

Pa)

7j 14j 21j

28j 56j 90j

(Terashi, 1997)chaux

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Formulation• Principes généraux

• avec proportions respectant :– % D fraction fine ≤± 30 % de D fraction grossière– D fraction fine ≤1/7 de D fraction grossière

• avec apports indirects possibles : – mélange des strates– chaux transformant fraction argileuse en fraction limoneuse– Bentonite permet de stabiliser dans les sols principalement granulaires

béton solmix solterrassement

+ciment

+ eau

efficace

s g

+ciment

(&bentonite)+

eau (%↑)

+chaux

(&ciment) +

eau (%↓)

+eau

Fuseau d’acceptationCourbe de Fuller

BolomeyFauryDreuxMEC


Formulation• Dosage cimentBéton

350 à 400 kg/m3

(autoplaçant150 à 350 kg/m3)

C/E=1,2 à 2,6(autoplaçantC/E=0,8 à 1,8)

Solmix

140 à 400 kg/m3

C/E= 0,2 à 1

Terrassement

1 à 2% CaO6 à 8 % CEM110 à 130 kg/m3

C/E=8

Aboutir à une relation

VBS type d’argile coefficient correcteur du dosage en cimentIP wLavec ligne A IP=0,73.(wL-20) ou ligne U IP=0,9.(wL-8) autoplaçant

VVv

Vs solide sem

i sol

ide

plastiqueliquide visqueux

liquide dispersé

enfo

ncem

ent

volu

me

enfoncement d'un cylindre posé sur le sol

volume croissant en fonction de la teneur en eau

wR wP wL wF

teneur en eau (% de la masse)

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Formulation

Consoli et al, 2010

• Evolution de la résistance à la compression en fonction du dosage en ciment et de la texture du sol

Szymkiewicz et al, 2010

Augmentation de la résistance avec le dosage en ciment linéaire àparabolique

y = 7,6757x2,0894

R2 = 0,9968

y = 10,265x2,1458

R2 = 0,9984

y = 22,194x1,9538

R2 = 0,9963

y = 27,941x1,9564

R2 = 0,9974

y = 30,23x1,9869

R2 = 0,996

y = 16,539x2,0265

R2 = 0,9971

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 5 10 15 20 25Cement (%)

q u (k

Pa)

7 days old

14 days old

21 days old

28 days old

90 days old

180 days old

Fontainebleau


Comportement mécanique

Huybrechts et Ganne, 2009Szymkiewicz et al., 2010

Jegandan, 2010

• Relation entre la rigidité et la résistance (cas des sables)

Attention protocole spécifique

0

200

400

600

800

1000

0 5 10 15 20qu (MPa)

E 50 (

MPa

)

FontainebleauTrielFréjusJegandan 2010

10


Fontainebleau

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60

age (jours)

Rcj

/Rc7

70140210320265400

Comportement mécanique

coulis

0

1

2

3

4

5

6

7

0 20 40 60 80 100Age (jours)

Rcj /

Rc7

0,2 0,3 0,4 0,5

0,6 0,8 1

• Dépend du dosageÉvolution similaire

Kaolinite

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60

Age (jours)

RC

j / R

C7

C210-w0,6-0,248C210-w1,2-0,124C320-w1,2-0,175C400-w1,2-0,208C140-w1,2-0,09C320-w0,7-0,3

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60

temps (j)

Rcj

/Rc7

(-)

Fontainebleau-Kaolinite (50%-50%)




Projet Rufex

Renforcement et ReUtilisation des plateformes Ferroviaires et des Fondations Existantes

• Problème posé :– Ré-utilisation de sites urbains– Renforcer / Réutiliser les fondations – ou bien démolir

• Blocages pour le Renforcement / Réutilisation– Coût / praticabilité des méthodes actuelles (micropieux)– Liaison avec structure– N’utilisent pas la fondation existante

• Renforcement / réutilisation co-opératif de la fondation– Soil Mixing avec outils de géométrie variables– Maîtrise des caractéristiques in-situ : résistance,

homogénéité

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End of line

C11.2B C14B

C10 C13B

C15 C12

Reference measure

Enjeux• Amélioration des sous-

structures de voies ferrées existantes sans dépose

• Premiers essais de l’outil Springsol dans le cadre des recherches SNCF-RFF et Innotrack


Objectifs• Acquis

– Faisabilité avérée– Protocole adapté

Limon

Craie altérée

Craie saine

Essai 1

Essai 2

• Reste à :– optimiser l’outil et son atelier – maîtriser le suivi– tester d’autres configurations

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L’innovation : Fondation ajustable

• Maîtriser la forme de l’outillage– Outils de soil mixing à géométrie variable

• Empreinte au sol minimale / Fondation maximale • Pieux : frottement latéral, pointe• Fond. Superficielles : capacité portante

• Maîtriser la résistance in-situ du soil-mixing– Caractériser les mélanges sols-ciment– En fonction de la teneur en eau – Nouveaux types de liants

• Maîtriser l’homogénéité du mélange in-situ – Interaction soil-mix / outil de malaxage– Critères actuels expérimentaux optimisation

• Fondation ajustable (géométrie, caractéristiques)


Durabilité

• Comment se comporte le matériau soil-mix à long terme? – Maturation– Évolution de la résistance dans le temps

• Quel est l’impact des dégradations du matériau soil-mix sur l’ouvrage ?

• Comprendre et décrire les différentes réactions chimiques et physiques successives se produisant entre le sol et le liant en fonction de la nature du sol, de son état, de son environnement chimique. – Interaction avec le sol et l’eau libre ainsi que des polluants et une

salinité

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Durabilité• La prise en compte de la physico-chimie des sols (eau et solide) pour

voir l’adaptation de cette technique à des conditions de sol variées (sols marins, sols pollués, rôle des sulfates et chlorures…).

• programme d’essais faisant varier la nature des sols, du liant, de l’eau et différents polluants, observation des échanges avec l’environnement à la réalisation, au jeune âge et au cours de la vie de l’ouvrage :

– sols à différents états hydriques, – de cycles hydriques, – de la perméabilité du soil mixing, – de la présence d’éléments chimiques néfastes au liant,

• L’impact de ces sollicitations sur le comportement hydromécanique sera étudié par des analyses physicochimiques, de conductivitéhydraulique et de résistance mécanique,

• Influence du rechargement lié au trafic sur le temps de cure et du chargement cyclique au jeune âge sur la résistance mécanique sera entreprise.


Durabilité

• Evolution • de la résistance à la compression en

fonction de la teneur en eau • du module de déformation en fonction

de la résistance à la compressionpas de tendances nettes

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Programme de rechercheProgramme de recherche• Un travail de mise au point d’une méthode de dosage adaptée au soil-mixing

avec:– la réalisation d’essais sur chantier reproduisant complètement les processus de

mise en œuvre (forage, injection, malaxage et consolidation) avec une étude des paramètres d’exécution,

– la réalisation d’essais en laboratoire reproduisant en partie les processus de mise en œuvre permettant d’affiner la caractérisation du sol renforcé (dosage, physicochimie du sol, puissance de malaxage…) en conditions maîtrisées,

– des essais en laboratoire de chargement mécanique et des analyses minéralogiques permettront la caractérisation des matériaux résultants à différents états de maturité.

• L’interaction des colonnes de sol-ciment avec leur environnement sera étudiée dans le cadre d’un programme d’essais complémentaires.

• Un travail d’interprétation des résultats de ces expériences et l’application àun ou plusieurs ouvrage(s) de type fondation ou voie ferroviaire.

Accès à la connaissances de la rhéologie des suspensions composées d’argiles + eau + ciment/chaux peu connue actuellement.


Programme de rechercheProgramme de recherche

• Des thématiques proches du programme de recherche IWT Project nr. 080736 « SOIL MIX in constructieve en permanente toepassingen » piloté par le WTCB/BBRI/CSTC et l’ABEF :– la réalisation d’essais sur chantier :

• essais d’arrachement de profils, test de l’adhérence du solmix, • essai de perméabilité in situ

– la réalisation d’essais en laboratoire : • caractéristiques mécaniques : UCS, module d’élasticité,

résistance à la traction, porosité, perméabilité,…• étude de la durabilité : essai de fluage, attaque chimique de

polluant, influence de l’eau salée, carbonatation, problème de corrosion…

• Echanges avec le WTCB/BBRI/CSTC– Rencontres prévus ,– Accueil au WTCB d’A. Guimond-Barrett

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Merci de votre attention

IfsttarStructure de recherche

[email protected]

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