Physical and mechanical characterization and durability of Soilcrete mixture : laboratory and construction site materials

Le Deep Soil Mixing est une technique consistant à mélanger le sol en place avec un liant. C’est une solution économique qui permet de rendre les sols constructibles dans le domaine des fondations spéciales. Aujourd’hui, l’utilisation de ce procédé dépasse les limites de l’amélioration de sol et s’étend à la réalisation des murs de soutènement, des écrans d’étanchéité, et d’autres éléments de fondations à la fois non structurels et structurels.Les études réalisées sur ce matériau montrent une difficulté particulière à estimer les propriétés du matériau réalisé sur chantier à partir de matériaux confectionnés en laboratoire. Cette difficulté peut émaner de l’hétérogénéité des sols en place, des conditions de cure non maîtrisées, du drainage éventuel de l’eau et de l’incertitude sur les proportions réelles de ciment dans le mélange. L’objectif de cette thèse est d’étudier les propriétés physiques et mécaniques ainsi que la durabilité de matériaux issus de chantiers et de les comparer avec des mélanges réalisés en laboratoire à partir de sols naturels. Ce travail est réalisé avec une approche béton et se situe dans la continuité d’une étude précédente (Helson 2017).Dans cet objectif, dix-huit (18) formulations de béton de sol sont réalisées en laboratoire avec quatre (04) sols différents issus de chantiers de construction. Des échantillons de bétons de sol sont également prélevés sur quatre (04) chantiers de construction de Deep Soil Mixing et étudiés. Des mesures de résistance en compression et de masse volumique au sein de deux colonnes de Soil Mixing ont permis d’analyser la variabilité latérale et selon la profondeur. Celle-ci est accrue par la présence d’argile, compte tenu d’une plus grande difficulté de malaxage. A dosage en ciment équivalent, les résultats de chantier montrent que de meilleures résistances sont obtenues avec des sols sableux car la quantité d’eau du sol injecté est généralement plus faible. Les essais sur les matériaux de laboratoire réalisés avec des sols issus des chantiers ont montré, à dosage en ciment et rapport E/C égaux, une résistance en compression à 28 jours plus faible avec les sols argileux que pour les sols sableux. Cela peut être attribué à une moindre compacité et une moins bonne ouvrabilité. La comparaison de la relation entre la résistance en compression et le rapport E/C établie à partir des matériaux de laboratoire avec les résultats de chantier montre une assez bonne concordance, excepté pour des matériaux de chantier très hétérogènes.Les bétons de sol sont plus sensibles à la carbonatation que les bétons traditionnels. L’étude de l’influence de l’hygrométrie sur la carbonatation a permis de mettre en évidence l’influence du séchage sur la cinétique de la carbonatation. Des relations empiriques sont alors proposées pour estimer la profondeur de la carbonatation avec le temps. L’évolution des propriétés résiduelles suite à des cycles de gel-dégel a été étudiée et a permis de mettre évidence le rôle de la perméabilité, du rapport E/C (eau totale) pour les matériaux de laboratoire et de chantiers. L’étude du comportement à haute température jusqu’à 850°C des matériaux de laboratoire a mis en évidence l’influence prépondérante de la nature de l’argile sur l’évolution de la résistance résiduelle. Pour un sol de même nature (limoneux), la limitation de la quantité d’eau dans la formulation permet de limiter les pertes de performance mécanique avec la température.Deep Soil Mixing is originally a ground improvement technique which consists in mixing in-situ soil with an hydraulic binder. It is an economical solution, which allows to make soils constructible in the field of deep foundations. Today, the use of this process goes beyond the limits of soil improvement and extends to realization of retaining walls, waterproof walls, and other foundation elements both non-structural and structural.Research on this material show a particular difficulty to estimate the properties of the material mixed on site from laboratory-manufactured specimens. This difficulty is due to the heterogeneity of the in-situ soils and the variability of environmental conditions. The aim of this PhD thesis is to study the physical and mechanical properties and the durability of the soil mix material taken from site and from laboratory. We compare and highlight the different relationships that could link the properties obtained in the laboratory and those obtained on construction sites. This work is based on the same approach than Helson’s thesis (Helson 2017), with a “cementitious material” methodology.For this purpose, eighteen (18) Soilcrete mixture formulations were carried out in the laboratory with four (04) different soils from construction sites. Soilcrete mixture samples were also taken from four (04) Deep Soil Mixing construction sites and studied. Compressive strength and density measurements within two columns of Soil Mixing were used to analyze variability. This is accumulated by the presence of clay due to the greater difficulty of mixing. At an equivalent cement dosage, better strength is obtained with sandy soils because the quantity of water in the soil is generally lower. Tests on laboratory materials studied with soils from construction sites have shown, with equal cement dosage and W / C ratio, a lower compressive strength at 28 days with clay than with sandy soils. The comparison of the relationship between the compressive strength and the W / C ratio established from laboratory materials with the site results shows good trends except for very heterogeneous site materials.Soilcrete mixture are more sensitive to carbonation than traditional concretes. The study of the influence of humidity on carbonation has showed the influence of drying on the kinetics of carbonation. Empirical relationships are then proposed to estimate the depth of carbonation over time. The evolution of residual properties following freeze-thaw cycles was studied. The results highlight the relevant role of permeability, of the total W / C ratio in the frozen resistance of soilcrete, whether for laboratory or on-site materials. The study of the behavior at high temperatures up to 850 ° C of laboratory materials has shown the predominant influence of the nature of clay on the residual strength values. For a same nature of soil (silts), the loss of mechanical performances is reduced by limiting the water amount in the mix-design