Comportement des cendres volcaniques

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14524 (2022) Citer cet article

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Les cendres volcaniques (VA) sont l'un des sous-produits des éruptions volcaniques explosives. Ils peuvent être utilisés comme stabilisateur de sol en raison de leurs propriétés cimentaires en tant qu'approche de stabilisation des sols respectueuse de l'environnement. Dans cette étude, l'impact de l'AV en tant que matériau additif (jusqu'à 20%) a été étudié sur le comportement d'un sol argileux sous des essais de compression unidimensionnelle et des essais de compression uniaxiale. Dans ce but, l'effet du pourcentage VA, les conditions de durcissement, c'est-à-dire la teneur en humidité optimale (OMC) et l'échantillon saturé, et le temps de durcissement, sur le module oedométrique et la résistance à la compression uniaxiale (UCS) sont étudiés. Les résultats montrent que l'ajout de VA augmente l'UCS de manière continue dans des conditions saturées. Cependant, cette amélioration est considérable pour 5 % d'AV supplémentaire à l'état OMC et elle induit une amélioration de 325 % de l'UCS. L'amélioration maximale de l'UCS se produit à 20% d'ajout de VA en condition saturée. Il a également été révélé que les mélanges VA-sol sont plus durables à de faibles niveaux de contrainte et que le module oedométrique augmente avec l'ajout de VA. Un temps de durcissement à long terme conduit à une augmentation des liaisons fabriquées en raison de la réaction pouzzolanique. L'AV supplémentaire n'a pas d'effet significatif sur les paramètres de consolidation spécifiquement pour le temps de durcissement à court terme.

Au cours des dernières décennies, l'amélioration des sols et la stabilisation des projets de construction de routes ont envisagé des approches respectueuses de l'environnement concernant les restrictions et les sources disponibles. Les solutions adoptées envisagent l'utilisation de géosynthétiques1,2,3, l'ajout de polymère/biopolymère aux sols4,5,6, ou, l'ajout de différentes sortes de déchets tels que des pneus ou du verre pilé7,8,9,10 ,11. D'après des études antérieures, la stabilisation des sols est une méthode importante et rentable pour la durabilité des routes12. L'amélioration chimique des sols est l'une des techniques les plus courantes qui peuvent être conformes à l'environnement et aux dépenses du projet. De nos jours, les améliorations chimiques sont réalisées en utilisant des matériaux cimentaires tels que le ciment, la chaux et les pouzzolanes12,13,14,15,16.

Même si le ciment et la chaux ont des performances et une efficacité élevées dans la stabilisation des sols, plusieurs problèmes environnementaux tels que la dégradation et la pollution peuvent être causés pendant le processus de fabrication ou d'utilisation12,17. Au cours des dernières années, face aux problèmes liés au mélange de ciment et de chaux dans les sols, l'utilisation de déchets respectueux de l'environnement s'est généralisée chez les ingénieurs. Compte tenu des efforts antérieurs, l'utilisation de pouzzolanes comme matériau d'amélioration des sols devient un sujet populaire parmi les chercheurs car il n'a relativement aucun problème environnemental négatif12,17. Les pouzzolanes sont des matériaux à base siliceuse qui se diversifient selon leur mode de production (cendres volantes, cendres volcaniques, cendres de brou, ou autres). L'utilisation de pouzzolanes peut être productive pour la réduction de la pollution de l'air ainsi que pour économiser de l'énergie et des émissions de gaz à effet de serre17,18.

Le potentiel d'utilisation des déchets produits par les champs agricoles et les entreprises industrielles, à savoir les cendres volantes, les scories, les pneus, les verres et les coquilles de céréales, a récemment été étudié8,19,20,21,22,23,24,25,26. Les cendres volantes et les cendres volcaniques (VA) qui sont respectivement gaspillées par les fours à charbon et les éruptions volcaniques peuvent être choisies comme un remplacement approprié du ciment/chaux et elles peuvent également être utilisées pour stabiliser le sol. De nombreux chercheurs ont étudié le comportement de VA dans différentes conditions. Afin d'évaluer l'amélioration du sol en utilisant des matériaux cimentaires supplémentaires, la liaison entre les particules et les propriétés de résistance doivent être estimées27. Dans ce but, des tests conventionnels standard peuvent être effectués tels que des tests de cisaillement direct, des tests triaxiaux, des tests de compression uniaxiale et confinée et des rapports de portance de Californie (CBR). L'ajout de pouzzolanes à la masse de sol peut améliorer les propriétés du sol telles que la résistance, l'angle de frottement, la cohésion et, CBR21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33.

Liu et al.28 ont ajouté des géopolymères à base de cendres volantes pour stabiliser les sols de loess. Le rapport entre les cendres volantes et le sol de loess utilisé dans leur étude était égal à 10 %, 20 % et 30 %. Avec l'augmentation de la proportion de cendres volantes, le module jeune et la résistance à la compression augmentent. Xiao et al.29 ont étudié l'impact de cendres volantes supplémentaires sur l'amélioration des argiles marines par des tests de compression uniaxiale. L'amélioration dépend de manière significative de la période de durcissement, de la teneur en cendres volantes et de la teneur en eau. Ils ont déclaré que pour le spécimen avec la teneur en cendres volantes la plus élevée (34,5%) et 90 à 150 jours de durcissement, la résistance à la compression augmente fortement (jusqu'à 85%). De plus, par rapport au ciment Portland ordinaire, l'efficacité d'une longue période de durcissement est supérieure lorsque des cendres volantes sont utilisées comme additif29. Mir et Sridharan30 ont étudié l'effet des cendres volantes supplémentaires sur l'indice de compressibilité des mélanges de sols argileux en utilisant des tests de compression unidimensionnels à trois temps de durcissement différents : 1, 7 et 28 jours. Pour la condition à long terme, le pourcentage optimal de cendres volantes supplémentaires était approximativement égal à 20 % pour l'amélioration des propriétés de compressibilité. Cependant, la teneur optimale en cendres volantes était égale à 60 % pour la période à court terme. Selon les résultats obtenus par Ma et al.31, l'utilisation de cendres volantes comme stabilisant augmente le module sécant ainsi que la résistance à la compression en augmentant le temps de durcissement.

Solanki et al.32, Pinilla et al.33 et Edil et al.34 ont utilisé des cendres volantes comme additif et ont effectué plusieurs tests CBR pour déterminer le module de résilience. L'ajout de cendres volantes entraîne une augmentation significative du module de résilience. De plus, le comportement du module de résilience a une relation non linéaire avec le temps de durcissement ainsi qu'avec la teneur en humidité. Pandian et Krishna35 ont abordé l'impact de deux types différents de cendres volantes sur les tests CBR (classe C et classe F). Les cendres volantes ont permis d'améliorer la résistance mécanique. La différence entre ces deux types de cendres volantes est liée à la quantité de calcium. Cette substance joue un rôle important dans les réactions pouzzolaniques36. Turner37 a utilisé des cendres volantes comme matériau stabilisateur pour les routes recouvertes de granulats. L'ajout de cendres volantes a un effet significatif sur les paramètres de résistance du sol de fondation. L'effet dépend considérablement du rapport eau/stabilisant. Il a également été observé que l'ajout de cendres volantes entraînait une diminution d'environ cinq fois l'épaisseur de conception, ce qui augmentait alors la rentabilité.

Diverses investigations menées sur l'application des VA seuls ou en les incorporant à de la chaux ou du ciment dans différentes couches de chaussées, sous-couches, couches de forme ou sous-fondations. Bahadori et al.27 ont utilisé trois AV différents, extraits de différentes régions, pour stabiliser les sols marneux. L'indice de plasticité du sol a diminué en ajoutant VA considérablement. Le module d'élasticité déterminé par des essais de compression uniaxiale a augmenté. Hossain et al.12 et Hossain et Mol38 ont stabilisé des sols argileux à l'aide de VA. La durabilité de la masse de sol stabilisée a été évaluée en étudiant l'impact du trempage sur la résistance, l'absorbabilité de l'eau et le retrait de séchage. L'ajout d'un pourcentage élevé de VA (jusqu'à 20 %) a un impact plus important que l'utilisation d'une combinaison de ciment et de VA. Hastuty et Ramadhany39 ont effectué des tests CBR et uniaxiaux pour évaluer l'ajout de VA sur la performance de l'argile. Les mélanges VA-sol ont une résistance et des valeurs CBR plus élevées. Iskandar et al.40 ont effectué plusieurs tests CBR et uniaxiaux. Ils ont observé que l'ajout de VA et de gypse améliore à la fois le CBR et la résistance uniaxiale de plus ou moins 100 %.

Le centre-ville de Mashhad (capitale du Khorasan Razavi, une province de l'Iran) contient des sols argileux en décomposition composés de fines particules. Ces sols à grains fins ont des propriétés médiocres telles qu'une faible résistance, un manque de résistance appropriée et une faible rigidité. Par conséquent, une stabilisation des sols est nécessaire pour assurer la pérennité et les déplacements induits par les charges externes dues aux constructions.

Comme indiqué dans la littérature, la majorité des investigations sont liées à la stabilisation du sol par les cendres volantes et l'effet de l'AV supplémentaire n'est pas bien étudié. Seuls quelques efforts ont porté sur l'efficacité de l'AV sur les propriétés mécaniques des sols12,33,34,35,39. La compressibilité et le comportement de consolidation de l'argile stabilisée en tant que matériaux de fondation sont des problèmes critiques pour la construction d'infrastructures. Le comportement de consolidation du mélange VA-sol a été étudié jusqu'à présent. Ainsi, l'objectif principal de cette étude est de comprendre le comportement de consolidation du mélange VA-sol dans deux conditions de durcissement possibles, à savoir la teneur en humidité optimale (MOC) et les conditions saturées pendant 7, 14, 28 et 90 jours. De plus, les propriétés oedométriques du mélange VA-sol sont déterminées pour la première fois dans cette étude. Les propriétés oedométriques sont souvent utilisées pour l'estimation des tassements et la modélisation numérique. En outre, les paramètres de consolidation, à savoir l'indice de compression (Cc), le coefficient de gonflement (Cs) et l'indice de recompression (Cr) pour les conditions saturées sont mesurés pour le mélange VA-sol à différents temps de durcissement. Enfin, le module d'élasticité oedométrique du mélange VA-sol est déterminé à différents niveaux de contrainte, de 25 à 400 kPa. Ce paramètre est le plus important pour l'estimation des tassements. Dans ce but, plusieurs tests standard, à savoir les tests de proctor, la compression unidimensionnelle et les tests de compression uniaxiale, ont été effectués. Quatre proportions de VA, 5%, 10%, 15% et 20%, sont mélangées avec des sols argileux. Les échantillons ont été préparés et durcis à l'OMC et dans des conditions saturées représentant les limites du projet sur site, à savoir les conditions météorologiques. La résistance à la compression uniaxiale (UCS) à la fois dans des conditions OMC et saturées est déterminée. En outre, la microscopie électronique à balayage (SEM) et la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) ont été utilisées pour montrer les formations de liaisons avant et après le traitement.

Le sol utilisé dans cette recherche a été extrait du centre de Mashhad—Iran. Les propriétés physiques et mécaniques du sol ont été déterminées selon l'American Society for Testing and Materials (ASTM)41,42,43. Ces propriétés sont présentées dans le tableau 1. Le sol est classé CL-ML selon le système unifié de classification des sols (USCS)44 et A-6 selon la norme de classification AASHTO (ASTM D3282)45. La figure 1 montre la courbe de distribution granulométrique du sol. Le tableau 2 décrit ses propriétés chimiques et ses éléments. La quantité maximale de composé chimique est CaCO3 avec 14,55%. CaO est produit par la présence d'eau dans le sol contenant des composés CaCO3. Par conséquent, des pouzzolanes supplémentaires contenant des composés SiO2, Al2O3 ou Fe2O3 réagiront avec le CaO produit et créeront de l'hydrate de silicate de calcium (CSH) et de l'hydrate d'aluminate de calcium (CAH) qui provoque l'amélioration du sol27.

Distribution granulométrique du sol.

La pouzzolane utilisée dans cette recherche a été extraite d'une mine naturelle de pouzzolane située à 140 km au nord-ouest de Mashhad en Iran. Les particules plus grossières ont été passées à travers une machine de broyage et un tamis #200 pour s'assurer que les tailles de particules VAs sont suffisamment fines. La gravité spécifique (Gs) du VA est de 2,05 selon la norme ASTM D854-1443. Il est classé comme matériau pouzzolanique N selon la norme ASTM C61846. Le tableau 3 décrit les composés et éléments chimiques de l'AV estimés selon la technique de Diffraction des Rayons X (DRX). La figure 2 illustre le sol et la VA utilisés dans cette étude. La figure 3 montre les photos au microscope électronique à balayage (MEB) du sol et de l'AV. En termes de granulométrie et de forme, l'échantillon de sol (Fig. 3a) a des particules plus grosses et plus lisses par rapport à VA (Fig. 3b). En fait, en raison du processus d'éclatement, VA a des formes de particules angulaires.

Matériaux utilisés dans cette recherche : (a) sol argileux, (b) cendres volcaniques (VA).

Micrographies SEM des matériaux utilisés ; (a) sol argileux, (b) cendres volcaniques (VA).

Une série d'essais standard comprenant des essais de compactage, de compression uniaxiale et de compression unidimensionnelle a été menée pour étudier l'effet de l'ajout de VA sur les performances d'amélioration du sol.

Ces tests ont été effectués en tenant compte de divers temps de durcissement et pourcentages de VA. Il est à noter que des essais de compactage et uniaxiaux ont été réalisés pour la validation et le contrôle de la procédure d'amélioration. Afin d'étudier les paramètres oedométriques et les paramètres de consolidation, des essais de compression unidimensionnels ont été réalisés. Une période de 28 jours a été considérée pour le temps de durcissement dans les essais de compression uniaxiale. En termes d'essais de compression unidimensionnels, le tableau 4 résume les différents paramètres et le programme d'essais. La désignation générale de chaque essai est nommée VAnDt-X dans laquelle, VAn indique le pourcentage de mélange n VA-sol, Dt le temps de cure t jours et X les conditions de cure. VA0, VA5, VA10, VA15 et VA20 représentent respectivement 0, 5, 10, 15, 20 % des mélanges VA-sol. Ces mélanges sont basés sur des investigations antérieures31. La procédure de durcissement est effectuée à la teneur en humidité optimale (-OMC) ou dans des conditions saturées (-S) en 7, 14, 28 et 90 jours. Par exemple, VA5D7-S représente 5% de VA en 7 jours de durcissement en considérant des conditions saturées. Il convient de noter que tous les essais ont été effectués à un compactage proctor standard relatif (RC) de 90 %.

Le sol séché a été mélangé avec le pourcentage souhaité de VA dans des conditions sèches. Un mélange homogène du sol VA a été préparé en ajoutant de l'eau, puis mélangé vigoureusement. Le mélange a ensuite été emballé dans des sacs en plastique et mélangé en continu par agitation. Enfin, les sacs ont été stockés jusqu'à la réalisation du test. Compte tenu de la norme ASTM D69847, le test de compactage proctor standard a été effectué pour déterminer la MOC et la densité sèche maximale (MDD) du mélange VA-sol (différentes teneurs en VA). Dans ces tests, aucun temps de durcissement n'a été pris en compte et ils ont été réalisés immédiatement après la préparation. Des éprouvettes cylindriques de 50 mm de diamètre et d'une hauteur de 100 mm ont été utilisées pour déterminer la résistance à la compression uniaxiale (UCS) conformément à la norme ASTM D216648. Il convient de noter que les échantillons remoulés ont été préparés avec OMC sur la base de la méthode de bourrage humide49. Tous les échantillons préparés ont été à nouveau emballés dans des sacs en plastique et maintenus pendant plusieurs jours dans une chambre de durcissement à une température contrôlée de 23 ± 2 °C. En termes de conditions de séchage saturées, les échantillons ont été noyés dans un pot rempli d'eau. Un chargement de contrôle de déplacement a été appliqué avec une vitesse de 1 mm/min pour les essais uniaxiaux. Cette valeur de taux de chargement correspond au taux de déformation qui se crée sous les sous-couches de chaussée du fait des charges de trafic38.

Des essais de compression unidimensionnels ont été effectués sur les sols stabilisés selon la norme ASTM D243550. Un moule cylindrique de 75 mm de diamètre et de 20 mm de hauteur a été utilisé pour ces essais. La préparation des échantillons était similaire aux essais de compression uniaxiale, mais les échantillons ont été placés dans une chambre de durcissement pendant 7, 14, 28 et 90 jours. Pour chaque pourcentage de VA, deux échantillons ont été reconstitués, c'est-à-dire pour les conditions de test saturées et OMC. De plus, en condition de saturation, après assemblage des pierres poreuses sur le haut et le bas de l'échantillon, le pot de l'appareil de compression unidimensionnel a été rempli d'eau et la température de la salle d'essai maintenue constante à 23 ± 2 °C (voir figure 4). Le niveau de contrainte dans ces essais est limité à 400 kPa ce qui correspond aux routes secondaires37.

Essai de compression unidimensionnel ; (a) sous l'application de chargement, (b) durcissement des échantillons dans des conditions saturées, (c) durcissement de l'échantillon dans des conditions de teneur en humidité optimale (OMC).

La figure 5a illustre la variation de la densité sèche avec la teneur en humidité pour différents pourcentages de VA. La figure 5b montre les résultats des tests de surveillant standard effectués. L'impact en pourcentage de la VA sur l'OMC et le MDD est présenté. En augmentant le pourcentage VA, de 0 à 20 %, la MDD diminue d'environ 9 % (de 1920 à 1750 kg/m3). Cette tendance peut être attribuée à la gravité spécifique VA et à la distribution granulométrique du mélange qui a également été observée par Hossain et Mol38.

(a) Variation de la densité sèche avec la teneur en humidité, (b) variation de la densité sèche maximale (MDD) et de la teneur en humidité optimale (OMC) avec la teneur en cendres volcaniques (VA).

Au début, une poudre VA supplémentaire recouvre les particules de sol. Cela conduit à un mélange de particules plus grossières et le volume d'espace libre augmente en conséquence. Cependant, l'espace libre (taux de vide) s'agrandit jusqu'à ce que le VA recouvre toute la surface des particules. Ensuite, plus d'ajout de VA au sol remplira les espaces libres et le taux de vide diminuera38. L'impact de l'ajout de plus de VA au sol deviendra alors faible. Ce comportement peut également être délimité par la Fig. 6 qui révèle la variation de l'indice des vides avec le pourcentage VA. En augmentant le pourcentage de VA, l'indice des vides augmente de 10% et tend à diminuer par la suite. Cette réduction peut être due à la taille des particules VAs.

Variation de l'indice des vides avec la teneur en cendres volcaniques (VA).

Une tendance défavorable est observée pour la variation de la teneur en humidité optimale par rapport au pourcentage VA. La MOC augmente jusqu'à 2% en ajoutant 20% de VA et la quantité d'eau est en relation directe avec la teneur en VA. Tel qu'abordé par différents chercheurs comme Hossain et Mol38. Ils ont mentionné que cette tendance peut être attribuée à l'absorption d'eau du mélange VA-sol pour les réactions pouzzolaniques.

La figure 7 illustre les photos SEM pour l'échantillon VA10D90-S. De fins grains de VA recouvrent les particules d'argile et des liaisons chimiques sont fabriquées. Les liaisons chimiques contiennent CSH et CAH (points lumineux sur la figure 7). Un test de spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) a été effectué pour déterminer les composés à l'intérieur des liaisons cristallines. Comme le montre la figure 8, la quantité de calcium trouvée dans le CSH et le CAH est élevée. Ainsi, les points brillants qui représentent les liaisons solides, sont produits par la réaction pouzzolanique27.

Micrographie SEM du sol traité VA10D90-S.

Graphique EDS des produits pouzzolaniques VA10D90-S.

La figure 9 montre l'effet de l'ajout de VA sur l'UCS après 28 jours de durcissement. L'UCS est d'environ 17 kPa, alors qu'il monte jusqu'à 147 kPa pour les sols stabilisés avec 20% de VA. Elle représente une amélioration de 760 % une fois polymérisée en considérant un état saturé (Fig. 9a). La présence de VA dans le sol induit des liaisons de résistance qui conduisent à l'amélioration de la cohésion du sol et à un UCS plus élevé.

Influence de la teneur en cendres volcaniques (VA) sur la résistance à la compression uniaxiale (UCS) ; (a) à l'état saturé, (b) à l'état de teneur en humidité optimale (OMC).

D'autre part, UCS compte tenu des conditions de durcissement OMC augmente également, cependant, la plus grande résistance est apparue pour VA5. En effet, en ajoutant 5% de VA au sol, l'UCS part de 45 kPa à VA0 et augmente fortement à 170 kPa (277% d'amélioration) pour VA5. Ensuite, il diminue de manière non linéaire lors de l'ajout de VA supplémentaire au sol, jusqu'à environ 74 kPa (64 % d'amélioration) pour VA20 (Fig. 9b). Cette tendance a également été observée par27. Les réactions pouzzolaniques ne peuvent pas être terminées en raison du manque d'eau, ce qui peut aggraver la situation en ajoutant de l'AV supplémentaire, ce qui entraîne un taux de vide plus élevé dans l'échantillon de sol. De plus, les particules VA sont naturellement non cohésives, ainsi, en ajoutant du VA supplémentaire, l'UCS diminue en raison de l'absence de liaisons.

Un total de 36 tests de compression 1-D ont été effectués pour étudier l'effet de l'ajout de VA sur le module de l'oedomètre. Dans ce but, le module d'élasticité sécant a été déterminé pour cinq niveaux de contrainte, 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa et 400 kPa. La figure 10 montre les courbes contrainte-déformation pour quatre tests différents, VA0D0-OMC, VA0D0-S, VA15D90-OMC et VA15D90-S. Pour un niveau de contrainte constant, en ajoutant VA au sol, les déplacements deviennent plus faibles pour les conditions OMC et saturées par rapport au cas du sol non stabilisé. Le module d'élasticité sécant est calculé selon l'équation suivante (Eq. 1) et la Fig. 10.

Courbe contrainte-déformation de compression unidimensionnelle.

Dans cette étude, un paramètre est nommé IF, Facteur d'Amélioration. Il peut être obtenu à l'aide de l'équation suivante :

où Ess est le module oedométrique du sol stabilisé avec VA et Ens est le module oedométrique du sol non stabilisé (VA = 0%) pour un niveau de contrainte constant. IF indique les caractéristiques de tassement du mélange VA-sol. Dans la partie suivante, l'effet du pourcentage VA, du temps de durcissement et de l'état (saturé ou insaturé) sur IF est discuté.

La figure 11 montre la variation des pourcentages VA par rapport à IF pour la condition OMC. En augmentant le pourcentage de VA jusqu'à 15 %, la FI augmente pour tous les niveaux de stress et diminue pour VA20. En effet, pour une quantité de VA plus élevée, le tassement plus élevé est induit par VA20, et IF diminue en conséquence.

Influence de la teneur en cendres volcaniques (VA) sur le facteur d'amélioration (IF) à la condition de teneur en humidité optimale (OMC).

La figure 12 montre les résultats de l'IF pour les essais de compression unidimensionnelle saturée (essais de consolidation conventionnels). Plus VA est ajouté au sol, plus IF augmente. En effet, le tassement diminue de manière cohérente avec l'augmentation du pourcentage de VA pour les conditions saturées. En comparant les résultats pour les conditions OMC et saturées, l'évolution de la FI peut être attribuée au manque d'eau dans le VA20. Par conséquent, les liaisons résistantes fabriquées sont plus petites que dans VA15. Pour l'état saturé, puisque l'échantillon est rempli d'eau, la réaction pouzzolanique VA se poursuit et un IF plus élevé est atteint. Les propriétés de compressibilité VA sont supérieures à celles du sol30 ; par conséquent, pour des conditions non saturées, ajouter plus de VA de 15 à 20% nécessite plus d'eau pour la réaction pouzzolanique. Les règlements sont réduits pour VA20 en raison de l'existence de plus de VA dans l'échantillon.

Influence de la teneur en cendres volcaniques (VA) sur le facteur d'amélioration (IF) pour les conditions saturées.

Comme déjà indiqué, le VA est un type de matériau cimentaire, de sorte que le temps de durcissement (période de réaction pouzzolanique) a un impact remarquable sur la résistance des échantillons. Dans la présente étude, les modules oedométriques du mélange VA-sol sont déterminés à 7, 14, 28 et 90 jours de cure. Les durcissements ont été effectués pour OMC et des conditions saturées, les résultats sont présentés dans les Fig. 13 et 14, respectivement. Pour les deux conditions, IF a augmenté de manière significative. Par exemple, pour un niveau de contrainte donné à savoir 25 kPa pour VA5D7-OMC et VA5D90-OMC, IF augmenté jusqu'à 196% pour la période de durcissement à long terme contrairement à son temps de durcissement à court terme (IF7 jours = 2,6 et IF90 jours = 5.1). Pour les états OMC, en raison du manque d'eau pour la réaction pouzzolanique, le FI reste presque constant après 30 jours de temps de durcissement. Alors que IF augmente de manière relativement linéaire en augmentant le temps de durcissement pour l'état saturé. La réaction pouzzolanique nécessite de l'eau, et plus il y a d'eau, plus des liaisons résistantes sont produites, de sorte qu'à des conditions saturées, IF augmente considérablement jusqu'à 90 jours de temps de durcissement.

Influence du temps de durcissement sur le facteur d'amélioration (IF) pour les conditions d'humidité optimale (OMC).

Influence du temps de durcissement sur le facteur d'amélioration (FI) pour les conditions saturées.

Comme indiqué précédemment, le module oedométrique est déterminé pour cinq niveaux de contrainte différents. Les figures 15 a, b indiquent les changements de FI avec différents niveaux de contrainte pour VA15 dans des conditions OMC et saturées. Une relation non linéaire indirecte entre le niveau de contrainte et IF est observée pour tous les temps de durcissement. L'IF diminue considérablement avec l'augmentation du niveau de stress. Les liaisons entre le sol et VA qui ont été fabriquées pendant le temps de durcissement peuvent être rompues sous l'application de chargement. En effet, plus le niveau de charge est élevé, plus les liens sont rompus. On peut également voir sur la Fig. 15 que la relation entre le FI et le niveau de contrainte peut être interpolée en tant que fonction de puissance, \(IF=k{(\frac{\sigma }{{P}_{atm}})} ^{n}\), et les mesures de la valeur R au carré indiquent un bon ajustement pour les données. Dans la fonction interpolée, k et n sont les constantes qui varient en fonction des conditions de durcissement, du temps et de la teneur en VA. Ces paramètres, k et n, varient respectivement en fonction des conditions de durcissement et du niveau de contrainte.

Le facteur d'amélioration (IF) change avec le niveau de contrainte pour 15 % supplémentaires de cendres volcaniques (VA15) pour différents états ; (a) teneur en humidité optimale (OMC), (b) saturé.

Comme indiqué sur la Fig. 16, la variation de k et n avec le pourcentage de VA montre une tendance analogue avec les Figs. 11 et 12. Un VA supplémentaire dilate les liaisons fabriquées qui rendent le mélange VA-sol plus fragile et conduit à des valeurs plus élevées de k sauf pour VA20-OMC. Par conséquent, cette fragilité provoque davantage l'apparition de fissures en conséquence de l'application de la contrainte. De plus, les valeurs de k sont plus élevées pour les conditions saturées que pour les états OMC en raison de la présence de plus de liaisons pouzzolaniques. En fait, les paramètres clés qui affectent k, sont le pourcentage VA et les conditions de durcissement (temps et humidité) et cela dépend de la formation des liaisons. n a des valeurs négatives qui indiquent l'effet de réduction de VA supplémentaire pour des niveaux de contrainte plus élevés. De même, les valeurs n sont inférieures pour les conditions saturées. Car plus le taux d'humidité est élevé, moins le comportement de l'argile est cassant. Par conséquent, les échantillons préparés à l'aide des conditions OMC sont plus fragiles que l'état saturé, et n a une valeur plus élevée pour les conditions OMC.

Influence de la teneur en cendres volcaniques (VA) et du temps de durcissement sur n et k.

La figure 17 montre les essais de compression unidimensionnels en conditions saturées (essais de consolidation classiques). La figure 17 présente le graphique de test de consolidation typique pour différents pourcentages de VA à 90 jours de temps de durcissement. Comme indiqué précédemment, un VA supplémentaire augmente le taux de vide, ce qui conduit à déplacer le graphique vers le haut. L'indice de compression (Cc) montre la capacité du sol à diminuer son volume sous des charges externes. La figure 18 illustre la variation de Cc avec le pourcentage VA à différents temps de durcissement. Comme on le voit, l'ajout de VA au sol diminue le Cc, tandis que plus de VA influence Cc pour le temps de durcissement à court terme. Cet effet devient important lorsque l'échantillon est durci pendant 90 jours. Les liaisons façonnées sont fragmentées par un VA supplémentaire pour un temps de durcissement à court terme. Cette tendance à court terme de la période de durcissement peut être attribuée au fait que les liaisons de résistance sont rompues à des niveaux de contrainte élevés et que Cc est déterminé à l'incrément final de chargement (pente tangentielle à une contrainte de 400 kPa). En termes de temps de durcissement de 90 jours, par exemple, Cc diminue jusqu'à 60 %, de 0,082 à 0,032, pour VA20-D7-S et VA20-D90-S.

Courbe de consolidation pour différentes teneurs en cendres volcaniques (VA) à 90 jours de temps de durcissement.

Influence de la cendre volcanique (VA) sur l'indice de compression (Cc) avec le temps de durcissement.

Le coefficient de gonflement (Cs) qui révèle la capacité du sol à augmenter son volume après déchargement. La figure 19 montre les changements de Cs avec le contenu VA. En conséquence, VA a un impact négligeable sur Cs et exclusivement pour un temps de durcissement à court terme. Néanmoins, Cs diminue pour les temps de durcissement à long terme avec l'augmentation du pourcentage VA. Les liaisons pouzzolaniques empêchent le gonflement dans une mesure limitée lorsqu'elles sont bien fabriquées. Plus précisément, l'indice de recompression (détermination de Cc à l'incrément initial de chargement, Cr) est également évalué pour élaborer sur l'effet de l'AV supplémentaire sur les propriétés de tassement. La figure 20 indique que le Cr change avec la teneur en VA. Cr diminue avec l'augmentation de VA. Cette réduction devient linéaire en ajoutant de la VA supplémentaire. Par conséquent, on peut affirmer que l'ajout de VA au sol est efficace pour les paramètres de consolidation à des niveaux de contrainte inférieurs.

Influence de la teneur en cendres volcaniques (VA) sur l'indice de gonflement (Cs) pour différents temps de durcissement.

Influence de la teneur en cendres volcaniques (VA) sur l'indice de recompression (Cr) pour différents temps de durcissement.

Dans cette étude, la faisabilité de l'utilisation des cendres volcaniques (VA) pour la stabilisation des sols argileux est étudiée en utilisant des tests de compactage, de compression uniaxiale et de compression unidimensionnelle. Quatre pourcentages différents de VA (soit 5, 10, 15 et 20 %) ont été ajoutés au sol afin d'étudier l'effet de la VA sur la résistance uniaxiale ainsi que sur le module oedométrique à la Teneur en Humidité Optimale (MOC) et conditions de pleine saturation pendant des périodes de cure variant de 7 à 90 jours. L'impact de la VA sur les paramètres de consolidation a été évalué. Les investigations en laboratoire permettent d'obtenir les conclusions suivantes :

L'utilisation de VA augmente le taux de vide et l'OMC. Cela peut être attribué à la formation d'espace et de liaison après la réaction pouzzolanique. Par conséquent, VA supplémentaire augmente l'absorption d'eau,

Pour les conditions OMC, le pourcentage optimal de VA supplémentaire est respectivement égal à 5% et 15% pour les essais de compression uniaxiale et 1-D. Alors que, pour des conditions de durcissement saturées, aucun VA optimal n'a été observé pour les deux tests. En d'autres termes, il a été constaté que la présence d'eau permet la production de la formation de liaisons,

Les paramètres de rigidité du sol sont significativement améliorés par l'ajout de VA, et cette amélioration est plus importante pour les conditions de cure saturées,

Concernant les durées de cure, à pourcentage de VA constant, une condition de cure courte (7 jours) augmente le Facteur d'Amélioration (FI). Néanmoins, l'amélioration est plus remarquable pour des conditions de cure à long terme (14 jours et plus). En effet, plus de liaisons sont fabriquées par la réaction pouzzolanique tout au long du temps de durcissement,

En termes de niveau de contrainte, on peut affirmer que l'utilisation de VA serait plus productive pour de faibles charges de service. Sinon, les liaisons fabriquées se fragmentent, par conséquent, à la fois la rigidité et la résilience sont diminuées. Par conséquent, la stabilisation avec VA serait fonctionnelle pour la conception de la chaussée contrairement à l'amélioration basée sur les fondations,

L'ajout de VA diminue l'indice de recompression (Cr) de manière plus importante que l'indice de compression (Cc). Il a un faible impact sur l'indice de gonflement (Cs). L'ajout d'une VA supplémentaire supplémentaire a un effet négligeable sur les paramètres de consolidation à court terme (jusqu'à 28 jours) et il devient considérable à long terme (soit 90 jours).

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié. Les données brutes sont également disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Cendre volcanique

Silicate de calcium hydraté

Aluminate de calcium hydraté

La microscopie électronique à balayage

Spectroscopie dispersive en énergie

Taux d'humidité optimal

Densité sèche maximale

Facteur d'amélioration

Résistance à la compression uniaxiale

Pourcentage de N du mélange de cendres volcaniques et de sol durci en t jours dans des conditions de teneur en humidité optimales

Pourcentage de N du mélange de cendres volcaniques et de sol durci en t jours à l'état saturé

Module d'élasticité sécant

Contrainte verticale

Déformation verticale

Module oedométrique du sol stabilisé

Module oedométrique d'un sol non stabilisé

Paramètre constant

Paramètre constant

Indice de compression

Coefficient de gonflement

Indice de recompression

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Les auteurs tiennent à exprimer leur gratitude au Dr Sanjay Nimbalkar de l'Université de technologie de Sydney qui a patiemment examiné le manuscrit et fait des commentaires constructifs.

Département de génie civil, Faculté de génie, Université Ferdowsi de Mashhad, Mashhad, Iran

Mohammad Amin Sayyah et Saeed Abrishami

Département de génie civil, environnemental et océanique, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, 07030, États-Unis

Pooya Dastpak

Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Laboratoire 3SR, 38000, Grenoble, France

Daniel Dias

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Mohammad Amin Sayyah : test, écriture, conceptualisation, révision. Saeed Abrishami : supervision, édition, conceptualisation, méthodologie, révision.Pooya Dastpak : rédaction du projet original, conceptualisation, révision, édition.Daniel Dias : révision, édition, conceptualisation, méthodologie.

Correspondance à Saeed Abrishami.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Sayyah, MA, Abrishami, S., Dastpak, P. et al. Comportement des mélanges de cendres volcaniques et de sol lors d'essais de compression unidimensionnels. Sci Rep 12, 14524 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18767-8

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Reçu : 09 avril 2022

Accepté : 18 août 2022

Publié: 25 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18767-8

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