La couche de fondation d'une route peut sembler solide avant l'hiver, mais perdre de sa résistance lorsque le dégel printanier fait remonter l'eau dans ses pores. Pour un entrepreneur, cette évolution est plus importante que le comportement du sol par temps sec. Fibres de polypropylène (PP) peuvent aider un sol compacté à conserver sa résistance tout au long des cycles de gel et de dégel, mais la longueur et le dosage appropriés des fibres dépendent du sol, de l'eau, du degré de compactage et de la résistance visée.
Chez Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd., nous fournissons des fibres Ecocretefiber™ destinées aux matériaux cimentaires et autres matériaux techniques. Lorsqu’une équipe de projet envisage d’utiliser des fibres de polypropylène pour le sol, nous commençons par analyser le sol du site et réaliser un essai contrôlé. Une étude comparative en laboratoire, publiée récemment, portant sur des sols meubles modifiés par des fibres, en fournit un exemple utile. Elle montre également pourquoi un résultat prometteur de 0,3% doit servir de référence pour les essais plutôt que de devenir une recette universelle.
Pourquoi le cycle gel-dégel affaiblit-il la couche de fondation d'une route ?
Pour que le gel agisse, il faut un sol sensible au gel, des conditions de gel et de l'eau. Le Recommandations géotechniques de l'Administration fédérale des autoroutes distingue le fragilisation due au dégel printanier et le soulèvement hivernal comme deux problèmes distincts. L'eau peut s'infiltrer vers une zone de gel et former des lentilles de glace. Lorsque cette glace fond, le sol peut se retrouver détrempé et moins apte à supporter des charges.
Une fibre modifie la façon dont une partie du squelette du sol résiste à la déformation. Des filaments répartis de manière aléatoire peuvent traverser des zones locales où les particules ont tendance à se séparer. Les particules du sol s'agrippent à la surface de la fibre, et celle-ci peut supporter une traction lorsque le sol lui-même présente une résistance à la traction limitée. Il s'agit là d'une explication pratique du renforcement, mais son ampleur dépend de l'interface avec la fibre, de son orientation, de son mélange et de son confinement.
La préservation de la résistance n'est pas la même chose que la prévention du soulèvement dû au gel. Un essai de compression après dégel peut montrer qu’un échantillon renforcé supporte toujours une charge. Il ne permet toutefois pas, à lui seul, de mesurer le soulèvement vertical, la migration de l’eau, la perméabilité ou le mouvement à long terme de la chaussée. Une chaussée située dans une région froide nécessite tout de même un drainage adéquat, un nivellement correct, une conception tenant compte de la profondeur de gel et une section structurelle appropriée. Les recommandations de la FHWA décrivent ces mesures plus générales relatives à la couche de fondation, y compris l’effet de la disponibilité en eau sur le soulèvement. Consultez l'analyse de la FHWA sur le gel et l'eau.
Ce que l'expérience « Sol et fibres » a réellement permis de tester
Une étude réalisée en 2020 par Li Junfa dans le Revue de l'Université de technologie de Wuhan (Sciences et ingénierie des transports) a utilisé un sol meuble prélevé à une profondeur de 3,5 m dans la partie orientale de la plaine de Songliao. Sa limite liquide était de 42,81 TP3T, sa limite plastique de 28,21 TP3T, sa densité sèche maximale de 1,768 g/cm³ et sa teneur en eau optimale de 18,61 TP3T. L’équipe chargée des essais a compacté des échantillons cylindriques jusqu’à atteindre une densité cible de 98% et a utilisé six éprouvettes dans chaque groupe d’essai.
Les chercheurs ont comparé les valeurs nominales longueurs de fibres de 6, 9 et 12 mm et des teneurs de 0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4% et 0,5%. Ces pourcentages correspondent au rapport entre la masse des fibres et la masse du sol sec. Par exemple, 0,3% correspond à 3 kg de fibres pour 1 000 kg de terre sèche. Il ne s'agit pas de 0,3% de terre humide, ni d'un dosage précis exprimé en kg/m³.
Chaque cycle de gel-dégel consistait à maintenir l'échantillon à -15 °C pendant 12 heures, puis à 20 °C pendant 12 heures. Les groupes ont été soumis à 0, 5, 10, 15 ou 20 cycles. Les chercheurs ont mesuré le comportement au cisaillement à l'aide d'essais de compression triaxiale non consolidée et non drainée sous des pressions de confinement de 50, 100 et 200 kPa. Ils ont également réalisé des essais de compression non confinée. Le diamètre de l'échantillon était de 39,1 mm et sa hauteur de 80 mm.
| Variable d'essai | Valeurs utilisées dans l'expérience | Pourquoi est-ce important ? |
| Teneur en fibres de PP | De 0,11 TP3T à 0,51 TP3T de masse de sol sec | Modifie la quantité d'armature et le risque de mauvaise dispersion |
| Longueur de coupe des fibres | 6, 9 et 12 mm | Modifications possibles au niveau de l'ancrage et facilité d'un mélange homogène |
| Exposition au gel-dégel | 0, 5, 10, 15 et 20 cycles | Montre l'évolution de la résistance testée selon ce programme thermique |
| Mesure de la force | Cisaillement triaxial UU et compression non confinée | Répond à deux questions liées mais différentes concernant la force |
Les échantillons et les catégories de fibres utilisés dans cette expérience déterminent ses résultats. L'étude n'a pas établi de spécification universelle valable pour tous les types de sols ni pour toutes les fibres de PP disponibles. De plus, les spécifications relatives aux fibres issues de cette étude ne doivent pas se substituer à la fiche technique d'un produit Ecocretefiber™.
Que s'est-il passé lorsque les échantillons ont gelé puis dégelé ?
Pour une teneur en fibres et une longueur de coupe données, les résistances au cisaillement et à la compression mesurées diminuaient généralement à mesure que le nombre de cycles augmentait. Les variations les plus importantes se sont produites au début de la séquence. Les chercheurs ont observé une réponse plus stable après environ 15 cycles dans leur dispositif.
Les résultats détaillés et les conclusions indiquent que la résistance moyenne au cisaillement de la sol modifié par des fibres était 10,71 TP3T en baisse après 15 cycles par rapport à la valeur avant les cycles. Après 20 cycles, la réduction moyenne était de 12,11 TP3T. En ce qui concerne la résistance à la compression non confinée, les résultats détaillés indiquent des réductions moyennes de 34,51 TP3T après 15 cycles et 38,01 TP3T après 20 cycles. Dans cette expérience, la compression a donc entraîné une perte en pourcentage bien plus importante que le cisaillement.
Ces pourcentages décrivent la variation par rapport aux échantillons modifiés par des fibres correspondants à zéro cycle. Ils ne quantifient pas l’avantage par rapport à un sol témoin non renforcé. Cette distinction est importante lorsqu’un appel d’offres ou un rapport de conception pose la question suivante : “ Dans quelle mesure ce produit est-il meilleur que le sol non traité ? ” Un test comparatif avec un témoin non traité est nécessaire pour répondre à cette question concernant le sol du projet.
Le résumé et le corps détaillé de l’article présentent des divergences concernant le pourcentage de résistance à la compression après 15 cycles. Nous nous appuyons sur les résultats détaillés et la conclusion, qui indiquent tous deux 34,51 TP3T, et recommandons de vérifier le rapport d'essai original avant de citer ce chiffre dans un cahier des charges officiel. Cette différence ne modifie en rien la tendance générale : le cycle gel-dégel a tout de même affaibli le sol modifié par des fibres testé.
Une tendance stable après 15 cycles en laboratoire ne prouve pas que ces 15 cycles reflètent toutes les conditions climatiques ou toutes les durées de vie prévues. Les températures sur le terrain, l'apport en humidité, la vitesse de gel et la circulation diffèrent de celles observées dans le cadre de cette exposition contrôlée. Les conditions de conditionnement en laboratoire et les seuils d'acceptation appropriés doivent figurer dans le plan d'essais géotechniques du projet.
Pourquoi la dose qui s'est avérée la plus efficace était de 0,3 %
Pour une longueur fixe et des conditions d'essai comparables, la résistance a d'abord augmenté, puis diminué à mesure que les chercheurs ajoutaient davantage de fibres. Les résultats des essais de cisaillement et de compression non confinée ont tous deux atteint leur valeur maximale à 0,31 TP3T de masse de terre sèche parmi les cinq produits testés. Une teneur plus élevée en fibres n'était pas forcément synonyme de meilleure qualité.
Lorsque la teneur est passée de 0,11 TP3T à 0,31 TP3T, les gains moyens de résistance au cisaillement observés dépendaient de la longueur des fibres et de la pression de confinement. Ils étaient d’au moins 3,21 TP3T dans l’ensemble des comparaisons décrites par les chercheurs. Les gains moyens de résistance à la compression non confinée étaient de 1 361 TP3T pour la série de 6 mm, de 821 TP3T pour la série de 9 mm et de 791 TP3T pour la série de 12 mm. Chaque gain compare deux renforcé par des fibres mélanges utilisés dans l'expérience. Il ne faut pas y voir un avantage par rapport à un sol non traité.
Pour un nombre et une durée de cycles identiques, le mélange 0,3% présentait également une résistance à la compression supérieure de 9,8% en moyenne à celle du mélange 0,4% dans la comparaison rapportée. Une interprétation technique plausible est que l'ajout de filaments rend finalement plus difficile leur répartition homogène et leur compactage. L'étude n'ayant pas mis en évidence de mécanisme microscopique, nous confirmerions cette interprétation en examinant la présence d'agglomérats, de vides, la teneur en eau et la densité dans un nouvel essai.
Utilisez 0,3% comme centre d'essais cliniques lorsque le sol et les fibres utilisés pour l'essai correspondent au système testé. Effectuez un essai à un niveau inférieur et un autre à un niveau supérieur à côté. Si un sol différent nécessite une quantité différente, respectez le résultat mesuré. Notez le pourcentage, rapporté à la masse sèche, sur chaque fiche d'essai afin que l'opérateur de la centrale ne le confonde pas avec le kg/m³ de béton.
La longueur des fibres influe différemment sur le cisaillement et la compression
Dans cette comparaison, la résistance à la compression non confinée a généralement augmenté à mesure que la longueur de coupe passait de 6 à 9 puis à 12 mm. L’amélioration observée entre 9 et 12 mm était relativement faible. Sur les cinq séries de dosages, les gains moyens rapportés pour cette dernière étape étaient respectivement de 7,61 TP3T, 2,91 TP3T, 4,31 TP3T, 4,31 TP3T et 5,41 TP3T.
Les résultats concernant la résistance au cisaillement ont présenté une évolution différente. À faible teneur en fibres, la résistance au cisaillement a atteint un pic à 9 mm, puis a diminué à 12 mm. À des teneurs égales ou supérieures à 0,3%, la résistance au cisaillement mesurée a généralement continué d’augmenter avec la longueur. Les chercheurs à l’origine de ces travaux ont recommandé une longueur de 9 mm, qu’ils ont jugée équilibrée pour leur sol et leurs conditions d’essai.
Une fibre plus longue peut couvrir une plus grande distance, mais elle peut également entraver un mélange homogène ou modifier la façon dont le matériau se compacte. Une fibre courte peut se disperser facilement, mais offre un ancrage moins efficace. Pour un chantier, choisissez la longueur en fonction des exigences de résistance requises et de la capacité de l’équipe à répartir les fibres sur toute l’épaisseur de la couche compactée.
Ecocretefiber™ propose actuellement fibre de PP monofilament dans plusieurs longueurs de coupe, notamment 6, 9 et 12 mm. La fiche produit publiée indique une densité de 0,91 g/cm³ et une gamme de diamètres. L'article expérimental mentionnait une densité de fibre différente ainsi que d'autres propriétés de ce type de fibre. Le fait que la longueur de coupe soit identique ne signifie pas que les deux fibres soient identiques ni qu'elles offriront la même résistance au sol. Demandez à notre équipe la fiche technique des granulométries actuelles et vérifiez la compatibilité du matériau choisi avec votre sol.
Comment transformer ces résultats en un essai clinique utile
Commencez par prélever un échantillon représentatif sur le chantier. Déterminez sa granulométrie, sa plasticité, sa teneur naturelle en eau, sa courbe de compactage et sa sensibilité au gel, le cas échéant. Un sol meuble provenant d’une région donnée peut se comporter différemment d’un remblai limoneux, d’un remblai granulaire ou d’un sol traité à la chaux. Si le projet prévoit l’utilisation d’un liant, considérez-le comme un nouveau mélange et testez-le en tant que tel.
Préparez un ensemble témoin bien défini. Incluez les sol non traité présentant le même niveau d’humidité et le même degré de compactage, puis comparez les longueurs des fibres et les teneurs en masse sèche dans les mêmes conditions de conditionnement. Notez la masse de sol sec, la masse des fibres, la quantité d'eau ajoutée, l'humidité réelle et la densité sèche obtenue pour chaque lot. Définissez un ordre de mélange permettant aux fibres de se séparer sans former de grumeaux. La séquence exacte doit être validée sur l'équipement prévu.
Compacter les éprouvettes selon une méthode contrôlée et mesurer leur densité réelle. Le fait d’aligner la dose nominale de fibres sans tenir compte de la densité peut donner lieu à une comparaison trompeuse des résistances. Soumettre les éprouvettes parallèles au cycle de gel-dégel retenu pour le projet et les protéger contre toute perte ou tout gain d’eau non contrôlé. Tester des séries d’éprouvettes non soumises à des cycles et des séries soumises à des cycles, et consigner toute fissuration ou déformation.
Choisissez l'indicateur de performance avant de consulter les résultats. ASTM D2166/D2166M-24 traite de la résistance à la compression non confinée des sols cohésifs appropriés. ASTM D2850-26 couvre les essais de compression triaxiale non consolidée et non drainée avec confinement. Ces méthodes s’appliquent à différentes conditions de contrainte et leurs résultats numériques ne doivent pas être interchangés. Respectez l’édition en vigueur du contrat ainsi que la procédure approuvée par le laboratoire.
Pour la conception des chaussées, il convient de déterminer si le projet nécessite également des données concrètes sur le soulèvement et l'affaiblissement dû au dégel. Le projet, qui a été abandonné, ASTM D5918-13e1 Ce document traitait historiquement de ces résultats, mais il a été retiré en 2022. Ne le présentez pas comme une norme d’acceptation actuellement en vigueur. Convenez d’un programme d’essais approprié et à jour avec le concepteur géotechnique et le maître d’ouvrage. Un résultat de résistance après dégel ne suffit pas à lui seul à garantir la maîtrise du soulèvement.
Mélange et contrôles sur site avant la mise en place à grande échelle
Une fibre n’est efficace que si elle se répartit uniformément dans le sol. Vérifiez si la fibre choisie se défait facilement dans le malaxeur utilisé. Examinez plusieurs échantillons prélevés sur l’ensemble d’un lot, notamment au début et à la fin du déchargement. Recherchez les amas et les zones présentant une densité anormalement élevée teneur en fibres. Vérifiez ensuite que l'enrobé peut toujours être étalé et compacté à l'épaisseur de couche prévue.
Veillez à ce que la base de masse sèche reste visible dans le calcul sur le terrain. Si un lot contient 2 000 kg de terre sèche, 0,31 TP3T correspond à 6 kg de fibres. La masse de terre humide peut être supérieure et varie en fonction de la teneur en eau. Une équipe de chantier doit donc calculer la quantité cible à partir de la masse sèche mesurée ou d’une densité sèche et d’un volume de lot convenus, plutôt que de se baser sur une estimation à partir du poids nominal d’un chargement de camion.
Sur la plate-forme d'essai, mesurez l'humidité et la densité in situ, puis inspectez la surface finie. Prélevez des échantillons ou des carottes conformément à un plan d'échantillonnage convenu. Un bon résultat de laboratoire ne suffira pas à rattraper une couche présentant un compactage insuffisant, des poches d'humidité ou une répartition inégale. La conception du drainage et de la chaussée reste un élément essentiel de la solution contre le gel, comme l'indique la FHWA dans son Recommandations relatives au traitement de la couche de fondation le précise clairement.
Shandong Jianbang peut fournir des échantillons de fibres et les spécifications actuelles en vue d'un essai de qualification. Veuillez nous indiquer la classification du sol, la longueur de fibre souhaitée, l'équipement de malaxage prévu, la plage d'humidité et les essais requis. Nous pouvons vous aider à choisir une nuance de PP à tester, tandis que l'ingénieur de projet définira les critères de réception.
Questions fréquemment posées par les acheteurs et les ingénieurs
Est-ce que 0,3 % correspond à 0,3 kilogramme par mètre cube ?
Non. Dans cette étude, cela correspond à 0,3 kg de fibres pour 100 kg de sol sec, soit 3 kg pour 1 000 kg de sol sec. Le dosage en kg/m³ dépend de la densité sèche compactée. Les règles de dosage des fibres dans le béton ne doivent pas être transposées à un essai sur sol.
La fibre a-t-elle empêché le soulèvement dû au gel ?
L'expérience a donné lieu à des essais de cisaillement et de compression après cycle. Elle n'a toutefois pas fourni de mesure directe du soulèvement dû au gel ni de groupe témoin non traité permettant de quantifier les avantages du traitement. Ces résultats doivent faire l'objet d'une évaluation distincte dans le cadre du projet.
Faut-il prévoir 15 cycles de gel-dégel pour chaque projet mené en région froide ?
Non. Les variations de résistance observées ont diminué après environ 15 cycles dans le cadre d'un protocole de laboratoire. Un projet doit définir des règles d'exposition et d'acceptation qui tiennent compte de son climat, des conditions hydrologiques, des matériaux utilisés et des exigences contractuelles.
Le calibre 12 millimètres est-il meilleur que le calibre 9 millimètres ?
Cela dépend de l'objectif visé. L'étude a mis en évidence un léger gain de compression moyen compris entre 9 et 12 mm, tandis que les tendances en termes de cisaillement dépendaient de la composition et du confinement. Une fibre de 9 mm constituait la recommandation équilibrée des chercheurs pour le sol utilisé dans leurs essais. Il convient de valider ce choix lors d'un essai dans le cadre d'un projet.
Peut-on enfoncer directement une fibre de PP pour béton dans le sol ?
Un produit destiné au béton peut être disponible dans une longueur de coupe adaptée, mais sa surface, son diamètre, sa dispersion et ses performances dans le sol doivent être validés. Consultez la fiche technique du produit et effectuez un essai de mélange et de résistance spécifique au sol avant de le prescrire.
Conclusion
La leçon la plus utile concerne la nature de la réponse. Dans le sol meuble testé, les cycles répétés de gel-dégel ont réduit la résistance ; parmi les cinq niveaux d’essai, c’est la teneur moyenne en fibres qui a donné les meilleurs résultats, et la longueur de coupe optimale dépendait de la nature de la contrainte principale (cisaillement ou compression). Le dosage de sol sec 0,3% et la recommandation de 9 mm constituent de bons points de départ pour une comparaison procès, et non les valeurs de calcul garanties pour un autre type de sol ou une autre qualité d’Ecocretefiber™.
La société Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. fournit l'Ecocretefiber™ Options de fibres PP et peut aider une équipe de projet à sélectionner des échantillons en vue d'une analyse en laboratoire et sur le terrain. Contactez notre équipe avec vos données pédologiques, votre plan d'aménagement et vos critères d'acceptation. Un essai reproductible constitue une base bien plus solide pour un achat et pour la définition d'un cahier des charges relatif à la couche de fondation.
