Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran
Cette étude de cas démontre que l'ajout de ciment au loess de Gorgan améliore considérablement ses propriétés d'ingénierie en augmentant la résistance à la compression uniaxiale et en réduisant la compressibilité, le gonflement et la collapsibilité grâce à la floculation et à la réduction de la porosité, les résultats optimaux étant observés à un taux de ciment de 9 % après 28 jours de cure.
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Dans les régions septentrionales de l'Iran, sous la ville de Gorgan, s'étend une vaste étendue d'un sol particulier connu sous le nom de loess. Pour l'œil non averti, il ressemble à une terre ordinaire, de couleur crème, mais pour un ingénieur géotechnique, c'est un danger caché. Ce sol est formé de poussières transportées par le vent qui se déposent dans une structure lâche, semblable à un nid d'abeille. Bien qu'il puisse supporter du poids lorsqu'il est sec, il possède un secret dangereux : dès qu'il est saturé d'eau, ses liaisons internes fragiles se dissolvent, et le sol s'effondre soudainement, s'enfonçant rapidement sous le poids des bâtiments et des routes. Ce phénomène, appelé collapsibilité, a causé d'importants dommages structurels dans la région, où les dépôts de loess peuvent atteindre des profondeurs de plus de 70 mètres. Le défi pour les ingénieurs est de trouver un moyen de renforcer ce sol sans le rendre cassant ou coûteux à traiter, afin de garantir que le sol reste stable même lorsque les pluies arrivent.
Des chercheurs de l'Université de Téhéran et de l'Université de Qom se sont donné pour mission de résoudre ce problème en testant un matériau commun et peu coûteux : le ciment. Leur objectif était de voir si le mélange de ciment dans le loess de Gorgan pouvait le transformer, passant d'un risque d'effondrement à une fondation solide. Ils ont prélevé des échantillons du sol local et les ont mélangés avec des quantités variables de ciment, allant de rien du tout jusqu'à 9 pour cent en poids. Pour comprendre comment le temps affecte le processus, ils n'ont pas seulement testé les mélanges immédiatement. Au lieu de cela, ils ont laissé les échantillons reposer dans des récipients scellés pendant des périodes de sept, quatorze et vingt-huit jours, simulant le processus de durcissement qui se produit lors des projets de construction réels. Ils ont ensuite soumis ces échantillons durcis à une batterie de tests, mesurant leur degré de compression, leur gonflement et la force qu'ils pouvaient supporter avant de rompre. Ils ont également examiné de près le sol sous des microscopes puissants et ont analysé sa composition chimique pour voir ce qui se passait à l'échelle microscopique.
Les résultats ont été frappants. Le loess non traité était extrêmement faible, avec une résistance à la compression de seulement 0,1 mégapascal, une mesure de la pression que le sol peut supporter avant de céder. Cependant, à mesure que les chercheurs ajoutaient du ciment et laissaient plus de temps au mélange pour durcir, le sol devenait nettement plus résistant. L'amélioration la plus spectaculaire s'est produite dans les échantillons traités avec 9 pour cent de ciment. Après vingt-huit jours de durcissement, ces échantillons étaient 8,5 fois plus résistants que le sol non traité. Les chercheurs ont observé que plus le sol était laissé à durcir, plus il devenait fort, indiquant que des réactions chimiques liaient continuellement les particules de sol entre elles au fil du temps. Cette augmentation de la résistance n'était pas seulement une question de remplissage par le ciment ; c'était le résultat d'une transformation chimique où le ciment réagissait avec les minéraux du sol pour créer de nouvelles liaisons durables.
Au-delà du simple gain de résistance, le sol traité est également devenu beaucoup plus stable et moins sujet à l'enfoncement dangereux qui frappe la région. Les chercheurs ont mesuré la tendance du sol à s'effondrer lorsqu'il est humide et ont constaté que l'ajout de ciment réduisait considérablement ce risque. Dans les échantillons non traités, le potentiel d'effondrement était classé comme modérément sévère. Mais dans les échantillons contenant 9 pour cent de ciment, ce risque est tombé à un niveau « léger », ce qui signifie que le sol est beaucoup moins susceptible de subir un affaissement soudain. De même, la tendance du sol à se comprimer sous la pression ou à gonfler lorsqu'il est humide a été considérablement réduite. Plus le ciment était ajouté, moins le sol bougeait, créant un matériau qui se comporte davantage comme une roche solide que comme une terre meuble et sensible à l'eau.
Pour comprendre pourquoi cette transformation s'est produite, l'équipe a scruté l'intérieur du sol à l'aide de la microscopie électronique à balayage et d'analyses chimiques. Le loess non traité révélait une structure chaotique avec de grands pores ouverts et des connexions faibles entre les particules, ressemblant à un tas de sable mal empilé. En revanche, les échantillons traités au ciment montraient un tableau complètement différent. Les images microscopiques ont révélé que le ciment avait créé des structures en forme d'aiguilles et une substance gélatineuse qui remplissait les espaces vides entre les grains de sol. Ces nouvelles formations, connues sous le nom d'hydrate de silicate de calcium, agissaient comme une colle, liant les particules individuelles en un réseau serré et interconnecté. Ce processus, appelé floculation, a transformé la structure lâche et ouverte en une masse dense et compacte. L'analyse chimique a confirmé que la quantité de calcium et d'autres éléments liants avait augmenté, tandis que la nature lâche et dispersive du sol d'origine avait été remplacée par une structure solide et cohérente.
L'étude conclut que l'ajout de ciment est une méthode très efficace pour stabiliser le loess problématique trouvé dans le nord de l'Iran. En augmentant la teneur en ciment et en accordant suffisamment de temps au mélange pour durcir, les ingénieurs peuvent créer un sol qui est non seulement beaucoup plus résistant, mais aussi résistant à l'effondrement soudain qui survient lorsque l'eau est introduite. La recherche démontre qu'un simple ajout de 9 pour cent de ciment peut transformer un danger géotechnique en une fondation fiable, offrant une solution pratique et accessible pour la construction dans les zones sujettes à ce type spécifique de défaillance des sols. Les conclusions suggèrent qu'avec le bon mélange et suffisamment de temps, le sol sous nos pieds peut être rendu ferme.
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