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Shear Strength Enhancement and Optimum Dosage Prediction of Fly Ash–Stabilized Cohesive and Cohesionless Soils

Cette étude démontre que l'incorporation de 12 % de cendres volantes améliore de manière optimale la résistance au cisaillement des sols cohérents et incohérents grâce à des mécanismes distincts de densification et de cimentation pouzzolanique, tandis qu'un modèle de régression quadratique proposé prédit efficacement ce dosage optimal pour des applications géotechniques durables.

Auteurs originaux : MD. MOIN Akon, Khan MD Mohaiminul Islam Sho, Asif Alam Chowdhury, Swarnali Ahmed

Publié 2026-07-06

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : MD. MOIN Akon, Khan MD Mohaiminul Islam Sho, Asif Alam Chowdhury, Swarnali Ahmed

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous essayez de construire une maison solide, mais que le sol sous vos pieds est soit trop meuble et sablonneux (comme une plage), soit trop collant et boueux (comme de l'argile humide). Dans les deux cas, le sol est trop faible pour supporter des structures lourdes. Traditionnellement, les ingénieurs règlent ce problème en mélangeant du ciment ou de la chaux, mais ces matériaux sont coûteux et laissent une empreinte carbone importante sur l'environnement.

Ce document explore une alternative intelligente et écologique : l'utilisation des cendres volantes (Fly Ash).

Qu'est-ce que la cendre volante ?

Considérez la cendre volante comme la « poussière » laissée après la combustion du charbon pour produire de l'électricité. Au Bangladesh, une centrale électrique appelée Barapukuria produit environ 52 000 tonnes de cette poussière chaque année. Habituellement, cette poussière est déversée dans de grands étangs, ce qui occupe des terrains et peut être néfaste pour l'environnement. Les chercheurs se sont posé la question : Pouvons-nous transformer ce problème de déchets en une solution pour les sols fragiles ?

L'expérience : Mélanger la « recette »

L'équipe a pris deux types de sols très différents du Bangladesh :

Sol Sablonneux : Comme du sable de plage sec. Il ne colle pas ; il glisse simplement.
Sol Argileux : Comme de la boue humide. Il colle, mais il est mou et spongieux.

Ils ont mélangé ces sols avec des cendres volantes en trois proportions différentes : 8,5 %, 12 % et 15 %. Ils ont ensuite attendu 28 jours (laissant le mélange « reposer » ou durcir) et ont testé la résistance du sol en essayant de le cisailler ou de l'écraser.

Les résultats : Trouver la zone « Goldilocks » (le point d'équilibre)

Les chercheurs ont découvert que l'ajout de cendres volantes n'est pas une situation de type « plus on en met, mieux c'est ». C'est plutôt comme cuisiner un gâteau : si vous ajoutez trop peu de farine, le gâteau s'effondre ; si vous en ajoutez trop, il devient une brique dense et lourde. Il faut la quantité parfaite.

1. Pour le sol sablonneux (Le problème du « sable meuble »)

L'objectif : Faire en sorte que les grains lâches se verrouillent plus étroitement.
Le résultat : À 12 % de cendres volantes, le sable est devenu 27 % plus résistant.
L'analogie : Imaginez une boîte de billes (grains de sable). Si vous secouez simplement la boîte, elles roulent librement. Si vous saupoudrez un peu de sable fin (cendres volantes), cela remplit les minuscules interstices entre les billes, les compactant plus étroitement afin qu'elles puissent moins facilement bouger. C'est ce qu'on appelle le « remplissage de vides » (void filling).
Qu'est-il arrivé à 15 % ? Le sable est devenu légèrement plus faible. Pourquoi ? Parce qu'il y avait trop de poussière fine. Elle a commencé à agir comme un lubrifiant, séparant les grains de sable au lieu de les aider à se verrouiller.

2. Pour le sol argileux (Le problème de la « boue collante »)

L'objectif : Rendre la boue collante plus dure et moins spongieuse.
Le résultat : À 12 % de cendres volantes, l'argile est devenue 34 % plus résistante.
L'analogie : Pensez à l'argile comme à une éponge mouillée. Ajouter des cendres volantes revient à ajouter un ingrédient spécial qui aide l'éponge à sécher et à durcir légèrement, la rendant plus rigide. Cela se produit grâce à une réaction chimique (appelée réaction pozzolanique) où les cendres et le sol se lient ensemble.
Le bémol : À 15 %, les résultats étaient désordonnés. Certains échantillons étaient très solides, d'autres très faibles. Les chercheurs ont réalisé qu'à cette quantité élevée, il devenait très difficile de mélanger uniformément les cendres dans l'argile collante. C'était comme essayer de mélanger des pépites de chocolat dans une pâte épaisse à la main : on se retrouve avec des poches de trop de chocolat et des poches de pas assez.

La « boule de cristal » mathématique

Les chercheurs ont utilisé une formule mathématique (un modèle de régression quadratique) pour prédire la quantité parfaite.

Ils ont testé 8,5 %, 12 % et 15 %.
Les mathématiques suggèrent que le pic absolu de résistance pourrait en fait se situer quelque part entre 13 % et 14 %, un tout petit peu plus haut que leur meilleur dosage testé de 12 %.
Note importante : Le document prévient que ces mathématiques ne sont qu'une estimation approximative basée sur des données limitées. C'est comme tracer une courbe lisse à travers seulement quatre points ; il faut plus de points pour être certain que la courbe est exacte.

La conclusion principale

Cette étude prou적으로 que 12 % de cendres volantes est le « point idéal » pour renforcer les sols sableux et argileux du Bangladesh.

Pour le sable : Cela fonctionne en compactant physiquement les grains plus étroitement.
Pour l'argile : Cela fonctionne en durcissant légèrement les liaisons entre les particules.

En utilisant ce sous-produit, les ingénieurs peuvent construire des routes et des fondations plus solides sans utiliser de ciment coûteux, tout en nettoyant les amas massifs de cendres volantes qui reposent actuellement dans des étangs.

Ce que le document NE dit PAS

Il ne prétend pas que cela fonctionnera pour chaque type de sol dans le monde, seulement pour le sable et l'argile spécifiques qu'ils ont testés.
Il ne dit pas que ce sol est prêt pour une utilisation immédiate dans la construction réelle sans tests supplémentaires. L'étude a été réalisée en laboratoire, et les auteurs admettent qu'ils doivent tester cela sur le terrain et sur des périodes plus longues pour être certains de la durabilité.
Ils n'ont pas observé au niveau microscopique (en utilisant des microscopes) pour voir exactement comment les particules se lient ; ils ont seulement mesuré la résistance et supposé le mécanisme en fonction de ce qu'ils ont observé.

En résumé : Les cendres volantes sont un outil utile, gratuit et écologique pour renforcer les sols fragiles, mais il faut les mélanger avec la quantité exacte (environ 12 %) pour obtenir les meilleurs résultats.

Résumé Technique : Amélioration de la résistance au cisaillement et prédiction du dosage optimal de cendres volantes pour la stabilisation des sols cohérents et cohésionnels

Énoncé du problème
L'étude aborde le double défi de la gestion des déchets industriels et de l'amélioration des performances géotechniques au Bangladesh. Les cendres volantes, un sous-produment des centrales thermiques à charbon, présentent des problèmes importants d'élimination environnementale, la centrale thermique de Barapukuria générant à elle seule environ 52 000 tonnes métriques par an. Parallèlement, les sols locaux présentent souvent de mauvaises propriétés d'ingénierie, telles qu'une faible résistance au cisaillement et une compressibilité élevée. Bien que les stabilisants conventionnels comme le ciment et la chaux soient efficaces, ils entraînent des coûts élevés et une empreinte carbone significative. La recherche cherche à déterminer si les cendres volantes de type Classe F provenant de l'usine de Barapukuria peuvent servir d'alternative durable et à faible coût pour stabiliser à la fois les sols cohérents (argile) et cohésionnels (sable), en identifiant spécifiquement le dosage optimal pour un gain de résistance maximal.

Méthodologie
La recherche a employé une approche expérimentale comparative utilisant deux types de sols distincts collectés au Bangladesh :

Sol cohésionnel (Sable) : Sable mal gradué (SP) de Gabtoli, Dhaka.
Sol cohérent (Argile) : Argile de plasticité intermédiaire (CI) de Matidali, Bogra.
Stabilisant : Cendres volantes de Classe F (92,9 % SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ ; 0,56 % CaO) provenant de l'usine de Barapukuria.

Les échantillons de sol ont été mélangés avec des cendres volantes à des dosages de 0 % (témoin), 8,5 %, 12 % et 15 % en poids sec. Les spécimens ont été compactés à la teneur en eau optimale (OMC) et ont été mûris pendant 28 jours à 25 ± 2 °C.

Sol sableux : Évalué par l'essai de cisaillement direct (ASTM D3080) à trois niveaux de contrainte normale pour déterminer l'angle de frottement interne ( $\phi$ ).
Sol argileux : Évalué par l'essai de compression non confinée (ASTM D2166) pour déterminer la résistance au cisaillement non drainée ( $C_u$ ).

L'étude a utilisé des modèles de régression quadratique pour analyser la relation non linéaire entre le dosage de cendres volantes et les paramètres de résistance au cisaillement.

Résultats clés
L'étude a observé un motif distinct de type « montée–pic–déclin » de la résistance pour les deux types de sols, indiquant un dosage optimal plutôt qu'une relation linéaire.

Sol cohésionnel (Sable) :
- Dosage de 8,5 % : Aucun changement significatif de la résistance au cisaillement ; l'angle de frottement est resté à 29°, identique au sol non traité.
- Dosage de 12 % : La performance maximale a été atteinte. L'angle de frottement est passé de 29° à 37°, représentant une amélioration de 27,6 %.
- Dosage de 15 % : Un léger déclin s'est produit, l'angle de frottement chutant à 36°.
- Mécanisme : L'amélioration à 12 % est attribuée à des mécanismes physiques : remplissage des vides, compactage plus dense des particules et augmentation de la rugosité de surface/imbrication. L'excès de fines à 15 % a commencé à perturber le contact direct grain-à-grain.
Sol cohérent (Argile) :
- Dosage de 8,5 % : La résistance au cisaillement non drainée ( $C_u$ ) est passée de 79,63 kN/m² à 97,60 kN/m² (amélioration d'environ 22,6 %).
- Dosage de 12 % : La performance maximale a été atteinte avec une $C_u$ moyenne de 106,36 kN/m², soit une amélioration de 33,6 % par rapport au sol non traité. Les spécimens présentaient une consistance « ferme » constante.
- Dosage de 15 % : Les résultats ont montré une dispersion importante (coefficient de variation $\approx$ 39 %), un spécimen tombant même en dessous de la résistance non traitée tandis qu'un autre montrait une augmentation massive. La moyenne ($94,24$ kN/m²) était inférieure à celle du dosage à 12 %.
- Mécanisme : Les améliorations sont attribuées à une réduction de la plasticité, un meilleur compactage et une activité pozzolanique initiale limitée. Cependant, les auteurs notent que la très faible teneur en CaO (0,56 %) des cendres volantes de Classe F limite une cimentation chimique étendue sous mûrissement ambiant. La forte variabilité à 15 % a été attribuée aux difficultés d'obtenir un mélange uniforme des particules fines dans la matrice argileuse.

Contributions principales

Analyse comparative : L'étude fournit une comparaison expérimentale directe de la stabilisation par cendres volantes sur des sols tant cohérents que cohésionnels sous des conditions de laboratoire identiques, comblant ainsi une lacune identifiée dans la littérature existante.
Identification du dosage optimal : Elle établit 12 % comme le dosage optimal de cendres volantes pour maximiser la résistance au cisaillement pour les deux types de sols dans les conditions testées.
Modélisation prédictive : Les auteurs ont développé des modèles de régression quadratique pour décrire la relation non linéaire entre la résistance et le dosage. La différenciation de ces modèles suggère un pic de résistance théorique à environ 14,1 % pour le sable et 14,4 % pour l'argile, suggérant que des tests futurs dans la plage 13–14 % pourraient produire des résultats légèrement supérieurs.
Contexte local : La recherche caractérise les cendres volantes de Classe F spécifiques du seul complexe de production de charbon du Bangladesh, fournissant des données pertinentes pour la pratique géotechnique locale.

Signification et affirmations
L'article affirme que l'utilisation des cendres volantes de Barapukuria offre un cadre pratique pour une ingénierie géotechnique durable au Bangladesh. En détournant les cendres des bassins de décantation, cette méthode répond aux défis d'élimination environnementale tout en améliorant la capacité portante et en réduisant la susceptibilité à la déformation des sous-couches et des remblais.

Les auteurs présentent modestement leurs conclusions comme un « outil de conception préliminaire » et un exercice d'« ajustement de tendance empirique » plutôt que comme un standard universel validé. Ils reconnaissent explicitement les limites, notamment l'absence d'analyse microstructurale (MEB/DRX) pour vérifier directement les mécanismes, l'utilisation de seulement deux spécimens par condition (entraînant une incertitude statistique à des dosages plus élevés), et l'absence de validation de la durabilité à long terme ou à l'échelle du terrain. Par conséquent, l'étude conclut que bien que les 12 % de cendres volantes soient très efficaces pour un gain de résistance immédiat, les recherches futures doivent intégrer la caractérisation microstructurale, des ensembles de spécimens plus larges et des tests de terrain à long terme pour valider pleinement l'approche pour la conception technique.