Étude mécanique et microstructurale des sols bio-cimentés : application aux ouvrages hydrauliques en terre

The biocementation process is considered as a promising technique for strengthening loose and weak soils. This technique has shown very good efficiency for several types of soil through laboratory tests and large scale models. On the other hand, it has shown a high sensitivity to the treatment conditions such as reactant concentrations, bacteria, injection rate, type of soil, temperature, etc…. These factors influence mainly the spatial distribution of the precipitated calcite, its shape and morphology, which subsequently influences the effective properties of the treated soils. This thesis is part of the French research project BOREAL, which aims at reinforcing old dykes and earth dams with this technique against internal erosion of the core and liquefaction of foundations. The objective of this thesis is to study the evolution of the physical and mechanical properties of biocemented sands (permeability, mechanical strength) by performing mechanical tests and permeability measurements in the laboratory and linking this evolution to microstructural changes by using quantitative 3D X-ray imaging tools. To do this, this work began with biocementation tests on Fontainebleau sand to verify the feasibility of the biocementation process in the laboratory. After these feasibility tests, drained triaxial tests have been carried out on the biocemented sand in order to estimate the evolution of its resistance parameters such as cohesion and friction angle. Small sub-samples of biocemented sand with different calcite contents have been then extracted and observed using X-ray micro-tomography at ESRF at a very high resolution (0.65 μm / pixel). Quantitative methods of 3D imaging have been developed to compute mean microstructural properties (amount of calcite, porosity, specific surface area and specific surface area of calcite) and contact properties (contact surface area, coordination number, type of contacts, contact orientation, etc…) for the different observed sub-samples. This study has shown a strong evolution of the resistance of biocemented sand (non-linear evolution of the cohesion, quasi-linear evolution of the friction angle, a slight increase of the residual resistance, etc...) and a decrease of the permeability by the precipitation of the calcite inside the sample. The quantitative study of the evolution of the microstructure has shown a stability of the specific surface area of the calcite beyond a certain level of calcification, a strong quasi-linear evolution of the cohesive contact surface between the grains as well as a slight evolution the coordination number (creation of new contacts). The comparison of these evolutions with those obtained considering a simple cubic periodic arrangement using two precipitation scenarii (uniform and localized at the contact) has shown that the precipitation of the calcite mainly occurs in the zones of inter-granular contact. This microstructural information have4 been then used successfully in micromechanical models to estimate the effective properties of biocemented sand (cohesion, permeability, elastic moduli). Finally, the same tools have been used to study the chemical durability of biocemented sand. This study has shown a degradation of sand resistance by dissolving calcite within the samples. The quantitative measurements on the 3D images have shown a degradation of the contact surface area without hysteresis with respect to the evolution of these contact surfaces during the biocementation process.Le procédé de bio-cimentation est une technique prometteuse pour renforcer les sols lâches et de faible résistance mécanique. Cette technique a montré une très bonne efficacité pour plusieurs types de sols lors d’essais en laboratoire, dans des modèles physiques ou lors d’essais sur site. Par contre, elle a montré une forte sensibilité aux conditions de traitement telles que concentrations des réactifs, bactéries, vitesse d’injection, type de sols, température, etc… Ces facteurs influencent principalement la distribution spatiale de la calcite précipitée, sa forme et sa morphologie, ce qui influence par la suite les propriétés effectives des sols traités. Ces travaux de thèse ont été réalisés dans le cadre du projet BOREAL qui vise à renforcer par cette technique des digues et barrages en terre existants contre l’érosion interne des noyaux et la liquéfaction des fondations. L'objectif de cette thèse est d'étudier l’évolution des propriétés physiques et mécaniques du sable bio-cimenté (perméabilité, résistance mécanique) par la réalisation d’essais mécaniques et de mesures de perméabilité en laboratoire, et de lier cette évolution aux changements microstructuraux via des observations par microtomographie RX. Le travail a commencé par des essais de bio-cimentation de colonnes de sable de Fontainebleau afin de vérifier la faisabilité de la bio-cimentation en laboratoire. Suite à ces essais de faisabilité, des essais triaxiaux drainés ont été réalisés sur le sable bio-cimenté afin d’estimer l’évolution de ses paramètres de résistance tels que la cohésion et l'angle de frottement. Des petits volumes de sable bio-cimenté présentant différentes teneurs en calcite ont été extraits des échantillons triaxiaux et observés par micro-tomographie aux rayons-X à l’ESRF sous une très haute résolution (0,65 µm/ pixel). Des méthodes quantitatives d’imagerie 3D ont été développées pour calculer les propriétés microstructurales moyennes (quantité de calcite, porosité, surface spécifique et surface spécifique de calcite) et les propriétés de contact (surface de contact, nombre de coordination, type de contacts, orientation des contacts, etc…) pour les différents échantillons observés. Cette étude a montré une forte évolution de la résistance du sable bio-cimenté (évolution non-linéaire de la cohésion, évolution quasi-linéaire de l’angle de frottement, légère augmentation de la résistance résiduelle, etc…) et une diminution de la perméabilité par la précipitation de la calcite à l’intérieur de l’échantillon. L’étude quantitative de l’évolution de la microstructure a montré une stabilité de la surface spécifique de la calcite à partir d’un certain niveau de calcification, une forte évolution quasi-linéaire de la surface de contact cohésive entre les grains ainsi qu’une légère évolution du nombre de coordination par la création de nouveaux contacts. La comparaison de ces évolutions avec celles obtenues pour un arrangement périodique de type cubique simple en utilisant deux scenarii de précipitation (uniforme et localisée au niveau du contact) a montré que la précipitation de la calcite se produit principalement dans les zones de contact inter-granulaire. L’utilisation de ces informations microstructurales dans des modèles micromécaniques a permis d’estimer avec succès les propriétés effectives du sable bio-cimenté (cohésion, perméabilité, modules élastiques). Enfin, les mêmes outils ont été utilisés pour étudier la durabilité chimique du sable bio-cimenté. Cette étude a montré une dégradation de la résistance du sable par la dissolution de la calcite à l’intérieur des échantillons. Les mesures quantitatives sur les images 3D ont montré une dégradation de la surface de contact sans hystérésis par rapport à l’évolution de ces surfaces de contacts pendant le processus de bio-cimentation