Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

Le sol sous nos pieds n'est pas toujours une fondation solide et immuable. Dans de nombreuses parties du monde, le sol est dominé par l'argile, un matériau à grains fins qui se comporte comme une éponge. Lorsque la pluie tombe ou que les saisons changent, cette argile absorbe l'eau et gonfle, poussant vers le haut avec une force considérable. Lorsque l'air est sec, elle se rétracte et se fissure, s'éloignant de ce qui repose sur elle. Ce cycle constant d'expansion et de contraction est un cauchemar pour les ingénieurs et les propriétaires, provoquant le bombement des routes, la fissuration des fondations et un tassement irrégulier des structures. Pour rendre ce sol sûr pour la construction, les ingénieurs y mélangent traditionnellement du ciment ordinaire ou de la chaux. Ces liants durcissent et verrouillent les particules de sol ensemble, créant une base stable. Cependant, la production de ces liants traditionnels est une source majeure d'émissions de dioxyde de carbone, contribuant de manière significative à la crise climatique mondiale. Cela a stimulé la recherche d'alternatives capables de stabiliser la terre sans le coût environnemental élevé.

Les chercheurs ont porté leur attention sur les déchets industriels, spécifiquement les cendres volantes et le laitier de haut fourneau granulé moulu. Les cendres volantes sont la fine poudre restante après la combustion du charbon dans les centrales électriques, tandis que le laitier est un sous-produit de la fabrication du fer. Ces deux matériaux sont riches en ingrédients chimiques nécessaires pour créer une substance solide, semblable à de la roche, lorsqu'ils sont mélangés à une solution alcaline spécifique. Ce processus, connu sous le nom de géopolymérisation, transforme ces déchets en un liant capable de remplacer le ciment traditionnel. Une équipe de chercheurs de l'Institut indien de technologie de Madras et du collège Thiagarajar de l'ingénierie s'est donné pour mission de tester la capacité de ces sous-produits industriels à dompter un type spécifique d'argile problématique trouvé à Madurai, en Inde. Leur objectif n'était pas seulement de voir si le sol devenait plus fort, mais de comprendre comment le traitement modifiait la façon dont le sol se tasse sous le poids et à quel point il se rétracte en séchant.

L'équipe a sélectioné un échantillon d'argile provenant d'une profondeur de deux mètres près d'un arrêt de bus local. Ce sol a été classé comme ayant une compressibilité intermédiaire, ce qui signifie qu'il s'écrase facilement sous la pression, et une expansion modérée, avec une forte tendance au gonflement lorsqu'il est humide. Pour traiter ce sol, les chercheurs l'ont mélangé à des quantités variables de cendres volantes et de laitier, créant trois concentrations différentes pour chaque matériau : 25 %, 35 % et 45 % du poids sec total. Ils ont activé ces mélanges avec une solution d'hydroxyde de sodium et de silicate de sodium, qui agit comme le déclencheur chimique pour démarrer le processus de durcissement. Ils ont également ajouté une petite quantité de retardateur chimique aux mélanges de laitier pour empêcher une prise trop rapide. Le sol traité a ensuite été compacté dans des cylindres et laissé à durcir pendant différentes périodes, allant de zéro jour jusqu'à 28 jours, avant d'être soumis aux tests.

Les résultats ont révélé une véritable histoire de transformation. L'argile non traitée présentait une très faible résistance, mesurant seulement 3,63 kilogrammes par centimètre carré. Lorsque les chercheurs ont testé l'argile traitée avec des cendres volantes, ils ont constaté que la résistance augmentait à mesure que le sol durcissait avec le temps. La meilleure performance est venue du mélange contenant 35 % de cendres volantes, qui a atteint une résistance de 17,19 kilogrammes par centimètre carré après 28 jours. Cela représentait une amélioration massive, rendant le sol près de quatre fois plus résistant qu'à l'état naturel. Cependant, lorsqu'ils ont augmenté la teneur en cendres volantes à 45 %, la résistance a en fait chuté, suggérant que trop de liant diluait la structure du sol plutôt que de la renforcer.

L'histoire était légèrement différente avec les mélanges à base de laitier. Pour le laitier, la résistance a continué de grimper à mesure qu'ils ajoutaient de la matière. La résistance la plus élevée enregistrée dans toute l'étude est venue du mélange avec 45 % de laitier, qui a atteint 18,84 kilogrammes par centimètre carré après 28 jours. Cela représentait une augmentation de 419 % par rapport à l'argile non traitée. Comme la résistance continuait de croître avec la quantité de laitier testée, les chercheurs ont noté que la quantité idéale de laitier pourrait être même supérieure à 45 %, alors que les cendres volantes avaient déjà dépassé leur point optimal à 35 %.

Au-delà de la simple solidification du sol, le traitement a radicalement changé le comportement du sol sous la pression. Lorsque des charges lourdes sont placées sur une argile molle, le sol se comprime et l'eau est expulsée, provoquant l'affaissement du sol au fil du temps. Les chercheurs ont mesuré ce comportement et ont constaté que le sol traité était beaucoup moins sujet au tassement. Le mélange à 35 % de cendres volantes a réduit la tendance du sol à la compression d'environ 70 %, tandis que le mélange à 45 % de laitier a réduit celle-ci d'environ 84 %. De plus, le sol traité s'est tassé plus rapidement que l'argile non traitée, ce qui signifie que tout affaissement restant se produirait plus rapidement et seraitient une préoccupation moins importante à long terme pour les structures construites au-dessus.

Peut-être la découverte la plus critique pour les régions sujettes à la sécheresse et aux fortes pluies fut le changement de retrait. L'argile non traitée rétrécit considérablement en séchant, créant des fissures profondes qui peuvent endommager les fondations. Le traitement géopolymère a considérablement freiné ce comportement. Le mélange à 35 % de cendres volantes a réduit le volume de retrait de près de moitié, tandis que le mélange à 45 % de laitier a réduit celui-ci d'environ 63 %. Cela signifie que le sol traité resterait beaucoup plus stable pendant les saisons sèches, résistant au craquellement et au gonflement qui affectent typiquement les bâtiments sur les sols argileux. Les chercheurs ont également observé que le sol devenait moins plastique, ce qui signifie qu'il était moins susceptible de se déformer de manière permanente lorsqu'il est humide, renforçant ainsi sa stabilité.

Ces conclusions suggèrent que l'utilisation de sous-produits industriels comme les cendres volantes et le laitier offre une alternative puissante et à faible empreinte carbone au ciment traditionnel pour la stabilisation des sols difficiles. L'étude a identifié que 35 % de cendres volantes et 45 % de laitier étaient les proportions les plus efficaces dans les plages testées, offrant des gains de résistance de près de cinq fois la force originale tout en réduisant drastiquement les risques de gonflement et de retrait. En transformant les déchets en un liant de haute performance, cette approche résout non seulement un problème géotechnique, mais répond également à un problème environnemental, offrant un moyen de construire sur des terrains instables sans l'empreinte carbone lourde du ciment conventionnel. Ces travaux confirment que ces liants géopolymères peuvent transformer efficacement une argile problématique en un matériau de fondation fiable, prêt à soutenir les infrastructures du futur.