Study on plasticity and compressibility behaviour of jute and coir reinforced soft soil

Sous les fondations de nombreux bâtiments, routes et ponts se trouve une couche de terre qui se comporte davantage comme une éponge épaisse et humide que comme un sol solide. Il s'agit d'un sol meuble, un matériau réputé pour sa tendance à s'écraser sous le poids et à gonfler lorsqu'il est mouillé. Lorsque des structures sont construites sur un tel sol, la terre peut se comprimer de manière inégale, provoquant des fissures dans les murs, l'inclinaison de tours, ou même un effondrement total. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps des moyens de rendre cette terre instable plus forte et moins sujette aux changements de forme. Une approche traditionnelle consiste à mélanger des produits chimiques comme la chaux ou le ciment, mais ces matériaux nécessitent souvent une énergie considérable pour être produits et peuvent altérer la chimie naturelle du sol. Ces dernières années, les chercheurs ont porté leur attention sur une alternative plus durable : l'utilisation de fibres naturelles. Ce sont de fines brins filiformes récoltés à partir de plantes, qui peuvent être mélangés au sol pour agir comme un squelette caché, maintenant ensemble les particules meubles et résistant aux forces qui provoquent la défaillance du sol.

Une équipe de chercheurs en Inde a récemment étudié comment deux types spécifiques de fibres naturelles, le jute et la fibre de coco (coir), pourraient transformer le comportement du sol meuble. Le jute provient de la tige d'une plante à fleurs et est connu pour sa résistance, tandis que la fibre de coco est une fibre grossière extraite de la coque d'une noix de coco. Les scientifiques voulaient voir si le mélange de ces fibres dans le sol réduirait sa tendance à absorber trop d'eau, à rétrécir en séchant ou à s'écraser sous la pression. Ils ont prélevé des échantillons d'argile meuble de Chennai, une région connue pour ses conditions de sol difficiles, et y ont mélangé de petites longueurs de un centimètre de ces fibres à des quantités variables, allant d'une infime trace jusqu'à 2,5 % du poids total du sol. En testant ces mélanges en laboratoire, ils visaient à trouver l'équilibre parfait où le sol devient assez solide pour supporter des structures lourdes sans perdre son caractère naturel et écologique.

Les résultats ont montré que l'ajout de ces fibres modifiait fondamentalement le comportement du sol, le rendant plus stable et plus facile à travailler. Lorsque les chercheurs ont mesuré la « plasticité » du sol — une façon de décrire la quantité d'eau qu'il peut contenir avant de devenir une boue liquide — ils ont constaté que les fibres agissaient comme une éponge qui absorbe l'excès d'humidité. Le sol qui nécessitait initialement une grande quantité d'eau pour devenir plastique en avait besoin nettement moins une fois les fibres ajoutées. Cela était particulièrement vrai pour les fibres de coco, qui ont réduit la limite de liquidité du sol de 82 % à 74,31 %. Les fibres de jute ont également aidé, abaissant la limite à 76,98 %. Plus important encore, les fibres ont augmenté la « limite de retrait » du sol, qui est le point auquel le sol cesse de rétrécir en séchant. Le sol non renforcé commençait à rétrécir à une teneur en eau de seulement 11,28 %, mais avec l'ajout de coco et de jute, ce seuil est monté respectivement à 15,18 % et 16,52 %. Cela signifie que le sol renforcé peut sécher beaucoup plus sans se fissurer ou s'éloigner des fondations d'un bâtiment.

Au-delà du simple changement de la façon dont le sol retient l'eau, les fibres ont rendu le sol nettement plus solide. Les chercheurs ont testé la capacité du sol à résister à l'écrasement en exerçant une charge lourde dessus. Le sol d'origine, non renforcé, ne pouvait supporter qu'une pression de 54,47 kilopascals avant de céder. Cependant, lorsqu'il est mélangé à 2 % de fibres de coco, la résistance du sol bondit à 97,34 kilopascals, soit une amélioration de près de 79 %. Les fibres de jute ont également apporté un renfort, atteignant une résistance de 81,82 kilopascals lorsqu'elles sont mélangées à 2,5 %. Cette augmentation de la force signifie qu'un bâtiment placé sur ce sol renforcé serait bien moins susceptible de s'enfoncer ou de s'incliner. Les fibres ont également aidé le sol à se compacter plus étroitement. La densité maximale que le sol pouvait atteindre est passée de 13,71 kilonewtons par mètre cube à 15,62 avec la coco, indiquant que les fibres ont aidé les particules de sol à se stabiliser dans un arrangement plus dense et plus compact.

Pour comprendre exactement comment ces minuscules fils accomplissaient leur travail, les scientifiques ont observé le sol sous des microscopes puissants et ont analysé sa composition minérale. Ils ont découvert que les fibres ne réagissaient pas chimiquement avec le sol pour créer de nouvelles substances ; elles agissaient plutôt par simple mécanique physique. Les images microscopiques ont révélé que les fibres tissaient à travers le sol, reliant les interstices entre les particules d'argile individuelles et les verrouillant les unes aux autres. Cela créait un réseau tridimensionnel qui empêchait le sol de s'effondrer ou de s'écarter lorsqu'une pression était appliquée. Les fibres agissaient essentiellement comme un maillage de renforcement, maintenant les particules meubles en place et réduisant les espaces vides, ou pores, dans la structure du sol. Cet emboîtement physique était la raison principale de l'amélioration de la résistance et de la réduction de la compressibilité.

L'étude a conclu que, bien que les deux fibres soient efficaces, elles offrent des avantages légèrement différents. Les fibres de coco se sont révélées être le choix supérieur pour augmenter la résistance globale et la densité du sol, ce qui en fait le meilleur candidat pour supporter des charges lourdes. Le jute, quant à lui, a montré une capacité particulièrement forte à résister au retrait, ce qui le rend très précieux pour prévenir les fissures dans des conditions sèches. Les chercheurs ont constaté que l'ajout de trop de fibres, spécifiquement au-delà de 2 % pour la coco, n'entraînait pas toujours d'améliorations supplémentaires, suggérant qu'il existe une quantité optimale pour obtenir les meilleurs résultats. Enfin, cette recherche démontre que les fibres naturelles peuvent servir de solution durable et rentable pour stabiliser les sols meubles et problématiques. En utilisant des matériaux renouvelables et biodégradables, les ingénieurs peuvent améliorer la sécurité et la longévité des structures sans dépendre de produits chimiques énergivores, offrant une voie pratique pour la construction dans des zones aux conditions de sol difficiles.