Le traitement à la chaux est une technique qui améliore considérablement la maniabilité et le comportement mécanique des sols à problèmes. Cependant, la durabilité de ce traitement dans les ouvrages en terre sur le long terme représente un enjeu important pour leur stabilité. En outre, la procédure de mise en place, et par conséquent, la taille des agrégats qui en résulte, est un paramètre essentiel qui peut influencer le comportement des sols traités à la chaux utilisés dans le domaine de la construction d’ouvrages. Ce travail de thèse vise à étudier le comportement thermo-hydro-mécanique des sols traités à la chaux, et plus particulièrement les effets du temps de cure et de la taille des agrégats. Des échantillons de sols limoneux et argileux traités à la chaux ont été préparés avec des agrégats de différentes tailles puis soumis à des temps de cures plus ou moins longs. Ces matériaux ont ensuite été étudiés à travers des observations de la microstructure, des analyses minéralogiques, des mesures de la conductivité thermique, de la perméabilité à l’air et de la capacité de rétention d'eau, complétées par de la détermination de la compressibilité et des mesures des modules de cisaillement en petites déformations. Les résultats montrent que le traitement à la chaux modifie de manière significative le comportement thermo-hydro-mécanique des sols. De plus, le comportement des sols traités est fortement influencé par la taille des agrégats. Plus celle-ci est grande, plus la conductivité thermique et la perméabilité à l'air est importante. En revanche, la capacité de rétention en eau est diminuée de même que la compressibilité et la rigidité du sol / Lime treatment is a technique which greatly improves the workability and the mechanical behaviour of problematic soils. However, the sustainability of this treatment in the earthworks for the long term is an important issue for their stability. Besides, the aggregate size resulting from the construction procedure is an essential parameter that may influence the behaviour of treated soils in field construction. The present work deals with the thermo-hydro-mechanical properties of lime-treated soils, with an emphasis put on the curing time and the aggregate size effects. Lime-treated soil samples (both silt and clay) were prepared with different sizes of aggregates and cured during different periods. Afterwards, these soils were studied through microstructural observations, mineralogical analyses, thermal conductivity, air permeability and water retention capacity measurements, as well as the determinations of compressibility and small strain shear modulus. The results show that significant changes of thermo-hydro-mechanical behaviour of soils are induced by lime treatment after curing. Moreover, the aggregate size also plays an essential role in the behaviour of treated soils. Samples prepared with the large aggregates present higher thermal conductivity and air permeability, but with lower water retention capacity, poorer compression behaviour and smaller stiffness

De nos jours le développement durable et les mesures de protection pour l'environnement se développent avec des conséquences importantes pour la gestion des ressources naturelles. Les aménagements du territoire, et particulièrement les travaux de terrassements, sont directement concernés par ces nouvelles directives avec un objectif de " zéro apport-zéro déchet " de matériaux. Cependant les sols naturels, et notamment les sols argileux, ne satisfont pas les critères géotechniques. Plusieurs chantiers de terrassements dans le Nord-Ouest de la France rencontrent des difficultés avec des sols fins résultants de l'altération de sédiments du massif Armoricain ne satisfaisant pas les exigences mécaniques et de stabilité, même traités classiquement avec de la chaux et / ou des liants hydrauliques. L'approche multi-échelle mise en œuvre dans ce travail nous a mené à caractériser la forte sensibilité à l'eau de ces matériaux, propriété critique pour la réalisation de déblais notamment. Un effet composite entre les minéraux de kaolinite et de muscovite à l'origine de cette sensibilité à l'eau a été mis en évidence par l'étude des interactions en suspension de ces deux minéraux. Les gains de cohésion des matériaux développés lors de leur traitement à la chaux permettent d'envisager leur valorisation sur chantier en respectant quelques précautions. La discussion de la nature des différentes forces de cohésion dans les matériaux naturels et traités permet de proposer plusieurs hypothèses pour expliquer l'évolution particulière des performances mécaniques de ces matériaux par rapport aux sols développant classiquement de bonnes performances.

Pour améliorer les sols possédant des caractéristiques mécaniques faibles, il est possible d'utiliser un traitement à la chaux et/ou au liant hydraulique. Dans certains cas, ce type de traitement est inefficace en raison de la présence dans le sol de perturbateurs. Cependant, sauf dans le cas des composés soufrés, il existe très peu de données sur la perturbation due à d'autres composés chimique, comme par exemple les fertilisants utilisés en agriculture. Dans ce contexte, une étude a été entreprise pour identifier clairement l'influence de composés chimiques réellement perturbateurs de la prise (performance à court terme), à la fois géotechniquement et physico-chimiquement. Des éléments chimiques ont été ajoutés aux sols étudiés, à différentes concentrations, puis les variations de paramètres géotechniques et physico-chimiques ont été mesurées pour les sols perturbés ou non. Nous avons ainsi étudié les effets de quatre composés chimiques : le sulfate, le chlorure, le phosphate, et le nitrate, sur deux sols différents, un limon et un sable, traités par deux liants hydrauliques différents. Le gonflement volumique, la résistance à la compression simple, et à la traction indirecte ont été mesurés pour évaluer les effets de chacun des composés considérés sur les propriétés mécaniques des sols traités. Ces mesures seront complétées par des observations microtexturales (MEB), minéralogiques (DRX) et chimiques. Cette étude permet de mettre en évidence les difficultés de déterminer si un élément est perturbateurs ou non du traitement des sols, sans considérer un système intégrant la nature du sol, la nature des liants, l'élément chimique et sa concentration, et enfin les conditions d'essai.

Le traitement des sols à la chaux est une technique ancienne et efficace dans les travaux de génie civil. Dans l'objectif du « zéro emprunt/zéro déchet » dans les travaux de terrassement routier, cette étude démontre que quelles que soient la plasticité et la médiocrité des propriétés hydromécaniques des sols argileux, le traitement à la chaux s'avère efficace. Les résultats expérimentaux concernant un sol argileux extrêmement plastique et gonflant montrent que les propriétés géotechniques s'améliorent avec le traitement à la chaux : le gonflement est éliminé, la plasticité réduite fortement et la résistance mécanique augmentée. Le suivi du processus physico-chimique de la réaction chaux–argile a permis de déterminer les quantités de chaux nécessaires aux changements instantanés ou/et durables du comportement hydromécanique des sols argileux traités. L'échange cationique poursuivi par la réaction pouzzolanique induisent dans les sols traités des modifications minéralogiques, texturales et structurales. Des hydrates calciques nouveaux sont formés grâce à la consommation de la chaux et des argiles. Ces hydrates tapissent les bords des particules argileuses et constituent une couche qui enrobent et assurent le lien entre les particules. Ces changements sont ainsi à l'origine des améliorations des propriétés géotechniques des sols traités. Les travaux de recherche réalisés démontrent que le processus et la cinétique des réactions chaux– argile dépendent du cation échangeable, de la quantité de chaux disponible, de la température de maturation et de la structure de l'argile : smectite, illite ou kaolinite. / Lime treatment techniques have largely been developed across the word mainly in civil engineering works. The context of sustainable development implies to improve the rate of reuse of clay soils in the earthworks. This study demonstrates that whatever the plasticity and poor hydromechanical properties of clay soils, the lime treatment is effective. Experimental results on highly plastic clay soil show that all geotechnical properties progress with the lime treatment: the swelling is eliminated, the plasticity is reduced greatly and the strength increases. Monitoring the physicochemical lime-clay reaction allowe to determine the quantities of lime required for short term and/or long term changes in the hydromechanical behaviour of treated clay soils. The cation exchange pursued by the pozzolanic reactions induced mineralogical, textural and structural changes in the treated soil. New hydrates are formed through the consumption of lime and clay. These hydrates contour the edges of clay particles and formed a layer which coat and provide the link between particles. These changes are well behind improvements in geotechnical properties of treated soil. The research conducted in this thesis shows that the process and the kinetics of lime-clay reactions depend on the exchangeable cation, the amount of lime available, to the curing temperature and the structure of the clay smectite, illite and kaolinite.

Pour améliorer les sols possédant des caractéristiques mécaniques faibles, il est possible d’utiliser un traitement à la chaux et/ou au liant hydraulique. Dans certains cas, ce type de traitement est inefficace en raison de la présence dans le sol de perturbateurs. Cependant, sauf dans le cas des composés soufrés, il existe très peu de données sur la perturbation due à d’autres composés chimique, comme par exemple les fertilisants utilisés en agriculture. Dans ce contexte, une étude a été entreprise pour identifier clairement l’influence de composés chimiques réellement perturbateurs de la prise (performance à court terme), à la fois géotechniquement et physico-chimiquement. Des éléments chimiques ont été ajoutés aux sols étudiés, à différentes concentrations, puis les variations de paramètres géotechniques et physico-chimiques ont été mesurées pour les sols perturbés ou non. Nous avons ainsi étudié les effets de quatre composés chimiques : le sulfate, le chlorure, le phosphate, et le nitrate, sur deux sols différents, un limon et un sable, traités par deux liants hydrauliques différents. Le gonflement volumique, la résistance à la compression simple, et à la traction indirecte ont été mesurés pour évaluer les effets de chacun des composés considérés sur les propriétés mécaniques des sols traités. Ces mesures seront complétées par des observations microtexturales (MEB), minéralogiques (DRX) et chimiques. Cette étude permet de mettre en évidence les difficultés de déterminer si un élément est perturbateurs ou non du traitement des sols, sans considérer un système intégrant la nature du sol, la nature des liants, l’élément chimique et sa concentration, et enfin les conditions d’essai / To improve soils with poor mechanical properties, it is possible to use a treatment with lime and/or hydraulic binder. But, in some cases, this type of treatment can be totally ineffective. For example, deleterious chemical compounds in the ground can alter the hardening reactions of the binder. However, except in the case of sulphate, there are few studies dealing with the potential influence of other chemical compounds like, for example, agricultural fertilizers. In this context, the aim of this paper is to characterise the effects of chloride, phosphate, nitrate, and sulphate on soil treatment. A suitable soil for stabilisation was mixed with one deleterious compound at a given concentration, similar to its concentration in a soil. The geotechnical and physicochemical parameters were determined, both for the disturbed and the undisturbed soils, allowing the quantification of the influence of each compound taken separately. The action of each supposed deleterious compound was evaluated by determining the swelling, the diametral compression strength, and the unconfined compression strength. These experiments were supplemented by microstructural, mineralogical, and chemical observations. Such evaluation was performed with two soils, a silt and a sand, and two different hydraulic binders. The results showed that fertilizers tend to lower the mechanical characteristics of the silt, but, the soils are still suitable for soil stabilisation. The study do not evidenced any impact of chloride on the mechanical behaviour of the tested soils. The presence of a given chemical compound at a given concentration in the soil is not sufficient enough to determine the suitability of the soil for a treatment

On s'intéresse dans le présent travail au comportement au gel des sols fins limono-argileux traités à la chaux seule, sols valorisables qui sont couramment rencontrés sur les chantiers de terrassement. Trois sols appartenant aux classifications A1, A2, A3 selon la norme NF P 11300, ont été choisis pour cette étude. Ces sols sont traités à 3 dosages en chaux correspondant à 3 objectifs : 1) amélioration (dosage en chaux minimal), 2) stabilisation et insensibilité à l'eau (dosage en chaux intermédiaire), 3) stabilisation et résistance au gel (dosage en chaux le plus élevé). Les sols traités sont ensuite conservés pendant quatre périodes de cure : 7 jours, 28 jours, 90 jours et 365 jours. Les deux processus de gel - le géligonflement et la gélifraction sont étudiés, parallèlement à l'évaluation des performances mécaniques, hydrauliques et microstructurales. Les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés hydrauliques (la succion au front de gel, sp et la conductivité hydraulique à l'état non-saturé, kunsat) sont les paramètres qui gouvernent le phénomène de géligonflement des sols, traités ou non. Les résultats ont également mis en évidence le lien direct existant entre la microstructure (la distribution porale) et les propriétés hydrauliques du sol, principalement en termes de capacité de rétention d'eau et conductivité hydraulique. Le traitement augmente les performances mécaniques des sols d'une part, et amène d'autre part à des modifications de leur microstructure ; ceci induit des changements vis-à-vis de leur sensibilité au gel. Les sols sont plus gélifs directement après le traitement, cette sensibilité au gel diminuant avec le temps de cure. Une modélisation simple permettant d'estimer le gonflement au gel à partir de la succion au front de gel et de la valeur de conductivité hydraulique à l'état non-saturé a été proposée et validée. Vu que la détermination de la conductivité hydraulique à l'état non-saturé n'est pas un essai couramment pratiqué au sein de la plupart des laboratoires, un critère basé sur la succion au front de gel, sp, et la conductivité hydraulique à l'état saturé, ksat a été proposé pour évaluer la sensibilité des sols au gel. L'essai de gélifraction consiste à évaluer un coefficient de résistance de l'éprouvette de sol après 10 cycles de gel/dégel, RFT (%) - « retained strength factor after freeze-thaw testing ». Les résultats expérimentaux montrent que la valeur RFT des sols traités varie de 0% (lorsque les éprouvettes de sol perdent totalement leur résistance à la compression simple et sont détruites après 10 cycles de gel/dégel) à 90%. Quand RFT ≥ 60%, aucune dégradation visuelle de la surface des éprouvettes des sols traités n'est constatée. Ainsi, cette valeur est proposée comme critère d'acceptation des matériaux constitutifs d'une couche de forme subissant le gel avant son recouvrement. L'étude de l'effet du nombre des cycles de gel/dégel montre une diminution importante de la performance mécanique (RFT) durant trois premiers cycles de gel/dégel, et ce paramètre se stabilisant après 10 cycles. A l'aide de la technique de µ Tomographie X, l'endommagement interne des éprouvettes de sol ayant subi des cycles de gel/dégel a été quantifié. Une corrélation directe entre la diminution de performance mécanique et l'augmentation de l'indice de l'endommagement de l'éprouvette a été mise en évidence. Enfin, un modèle d'endommagement permettant d'évaluer la dégradation de la performance mécanique avec l'augmentation de l'indice d'endommagement a été établi / The present work deals with the behaviour of fine-grained silty and clayey soils treated with lime under frost. Those soils are frequently encountered in earthworks. Three soils corresponding to A1, A2, A3 classes according French NF P 11-300 standard were chosen for this study. These soils were treated with 3 lime dosages corresponding to three objectives: 1) improvement (minimum dosage), 2) stabilization and insensitivity to water (intermediate dosage), 3) stabilization and frost resistance (highest dosage). Lime-treated soils were subsequently cured for different times: 7, 28, 90, 365 days. Two frost processes, frost heave and freeze-thaw cycles, were applied in parallel with the assessment of mechanical, hydraulic and microstructural properties. Experimental results evidenced that it is the hydraulic properties (suction at frost front, sp and unsaturated hydraulic conductivity, kunsat) that govern the frost heave phenomenon of soils, treated or not. In addition, this study demonstrates the direct link between the microstructure (the pore size distribution) and the hydraulic properties (water retention curve and hydraulic conductivity). The treatment on one hand improves the mechanical performances of soils, and on the other hand modify their microstructure, and thus changes their frost sensitivity. The frost susceptibility increases directly after treatment, and then decreases with curing time. Based on the suction at frost front and the unsaturated hydraulic conductivity, a simple model was proposed and validated allowing to estimate the frost heave. Considering that the determination of unsaturated hydraulic conductivity is not a test commonly performed by most laboratories, a criterion based on the suction at frost front and the saturated hydraulic conductivity was proposed to estimate the frost sensibility of soils. The second frost resistance test consists of measuring the retained strength factor after 10 freeze-thaw cycles, RFT (%). The results obtained show that RFT of lime treated soil varies from 0% (when soil specimen completely loses its resistance and collapses after 10 freezethaw cycles) to 90%. When RFT is higher than 60%, no visual damage was observed on the specimen surface; consequently, this value is proposed as a criterion for acceptance of lime treated soil in capping layer before covering. In addition, the study of effect of freeze-thaw cycles showed a significant decrease of mechanical performance (RFT) during the first three cycles, and a stabilization after 10 cycles. Using X-ray Tomography, the intern damage of specimens due to freeze-thaw cycles was quantified. A correlation between the decrease of mechanical performance and the increase of damage index was evidenced. A model was then developed to evaluate the degradation of mechanical performance with the increase of damage index

On s'intéresse dans le présent travail au comportement au gel des sols fins limono-argileux traités à la chaux seule, sols valorisables qui sont couramment rencontrés sur les chantiers de terrassement. Trois sols appartenant aux classifications A1, A2, A3 selon la norme NF P 11300, ont été choisis pour cette étude. Ces sols sont traités à 3 dosages en chaux correspondant à 3 objectifs : 1) amélioration (dosage en chaux minimal), 2) stabilisation et insensibilité à l'eau (dosage en chaux intermédiaire), 3) stabilisation et résistance au gel (dosage en chaux le plus élevé). Les sols traités sont ensuite conservés pendant quatre périodes de cure : 7 jours, 28 jours, 90 jours et 365 jours. Les deux processus de gel - le géligonflement et la gélifraction sont étudiés, parallèlement à l'évaluation des performances mécaniques, hydrauliques et microstructurales. Les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés hydrauliques (la succion au front de gel, sp et la conductivité hydraulique à l'état non-saturé, kunsat) sont les paramètres qui gouvernent le phénomène de géligonflement des sols, traités ou non. Les résultats ont également mis en évidence le lien direct existant entre la microstructure (la distribution porale) et les propriétés hydrauliques du sol, principalement en termes de capacité de rétention d'eau et conductivité hydraulique. Le traitement augmente les performances mécaniques des sols d'une part, et amène d'autre part à des modifications de leur microstructure ; ceci induit des changements vis-à-vis de leur sensibilité au gel. Les sols sont plus gélifs directement après le traitement, cette sensibilité au gel diminuant avec le temps de cure. Une modélisation simple permettant d'estimer le gonflement au gel à partir de la succion au front de gel et de la valeur de conductivité hydraulique à l'état non-saturé a été proposée et validée. Vu que la détermination de la conductivité hydraulique à l'état non-saturé n'est pas un essai couramment pratiqué au sein de la plupart des laboratoires, un critère basé sur la succion au front de gel, sp, et la conductivité hydraulique à l'état saturé, ksat a été proposé pour évaluer la sensibilité des sols au gel. L'essai de gélifraction consiste à évaluer un coefficient de résistance de l'éprouvette de sol après 10 cycles de gel/dégel, RFT (%) - « retained strength factor after freeze-thaw testing ». Les résultats expérimentaux montrent que la valeur RFT des sols traités varie de 0% (lorsque les éprouvettes de sol perdent totalement leur résistance à la compression simple et sont détruites après 10 cycles de gel/dégel) à 90%. Quand RFT ≥ 60%, aucune dégradation visuelle de la surface des éprouvettes des sols traités n'est constatée. Ainsi, cette valeur est proposée comme critère d'acceptation des matériaux constitutifs d'une couche de forme subissant le gel avant son recouvrement. L'étude de l'effet du nombre des cycles de gel/dégel montre une diminution importante de la performance mécanique (RFT) durant trois premiers cycles de gel/dégel, et ce paramètre se stabilisant après 10 cycles. A l'aide de la technique de µ Tomographie X, l'endommagement interne des éprouvettes de sol ayant subi des cycles de gel/dégel a été quantifié. Une corrélation directe entre la diminution de performance mécanique et l'augmentation de l'indice de l'endommagement de l'éprouvette a été mise en évidence. Enfin, un modèle d'endommagement permettant d'évaluer la dégradation de la performance mécanique avec l'augmentation de l'indice d'endommagement a été établi / The present work deals with the behaviour of fine-grained silty and clayey soils treated with lime under frost. Those soils are frequently encountered in earthworks. Three soils corresponding to A1, A2, A3 classes according French NF P 11-300 standard were chosen for this study. These soils were treated with 3 lime dosages corresponding to three objectives: 1) improvement (minimum dosage), 2) stabilization and insensitivity to water (intermediate dosage), 3) stabilization and frost resistance (highest dosage). Lime-treated soils were subsequently cured for different times: 7, 28, 90, 365 days. Two frost processes, frost heave and freeze-thaw cycles, were applied in parallel with the assessment of mechanical, hydraulic and microstructural properties. Experimental results evidenced that it is the hydraulic properties (suction at frost front, sp and unsaturated hydraulic conductivity, kunsat) that govern the frost heave phenomenon of soils, treated or not. In addition, this study demonstrates the direct link between the microstructure (the pore size distribution) and the hydraulic properties (water retention curve and hydraulic conductivity). The treatment on one hand improves the mechanical performances of soils, and on the other hand modify their microstructure, and thus changes their frost sensitivity. The frost susceptibility increases directly after treatment, and then decreases with curing time. Based on the suction at frost front and the unsaturated hydraulic conductivity, a simple model was proposed and validated allowing to estimate the frost heave. Considering that the determination of unsaturated hydraulic conductivity is not a test commonly performed by most laboratories, a criterion based on the suction at frost front and the saturated hydraulic conductivity was proposed to estimate the frost sensibility of soils. The second frost resistance test consists of measuring the retained strength factor after 10 freeze-thaw cycles, RFT (%). The results obtained show that RFT of lime treated soil varies from 0% (when soil specimen completely loses its resistance and collapses after 10 freezethaw cycles) to 90%. When RFT is higher than 60%, no visual damage was observed on the specimen surface; consequently, this value is proposed as a criterion for acceptance of lime treated soil in capping layer before covering. In addition, the study of effect of freeze-thaw cycles showed a significant decrease of mechanical performance (RFT) during the first three cycles, and a stabilization after 10 cycles. Using X-ray Tomography, the intern damage of specimens due to freeze-thaw cycles was quantified. A correlation between the decrease of mechanical performance and the increase of damage index was evidenced. A model was then developed to evaluate the degradation of mechanical performance with the increase of damage index