Hydro-mechanical behavior of lime-treated/untreated soils under the effects of salinity and wetting-drying cycles - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Hydro-mechanical behavior of lime-treated/untreated soils under the effects of salinity and wetting-drying cycles

Comportement hydromécanique des sols avec et sans traitement à la chaux sous les effets de la salinité et des cycles d'humidification-séchage

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Zi Ying
  • Function : Author

Abstract

Lime treatment can enhance the workability and hydro-mechanical properties of soil through different physical-chemical reactions, such as cations exchange and pozzolanic reaction. The effectiveness of lime treatment is expected to be water chemistry and climate dependent. To understand the effects of water chemistry and climate on lime-treated soils, the project DIGUE 2020 was set up involving a dike constructed at les Salin-de-Giraud using local saline soils. In this PhD study, a laboratory work was conducted on the soils taken from Salin-de-Giraud with and without lime treatment, with emphasis put on the effects of salinity and wetting-drying cycles.In order to well characterize the salinity effect, new methods were proposed to determine the dissolved salinity and the induced osmotic suction for unsaturated soils with consideration of dissolved and precipitated salts. The mechanisms of salinity effect on the liquid limit and compaction behaviour of untreated soil, and of the drying effect on the microstructure of compacted saline soil were clarified. The optimum lime content of soil mixed with deionized water, synthetic seawater, mixed salts solution were determined by pH method. Results showed that the optimum lime content increased with the increase of salt concentration, which can be attributed to the consumption of OH- ions by Mg2+ and Ca2+ ions in the salt solution, producing the precipitations of Mg(OH)2 and CaCO3 in the alkaline environment.The effects of salinity and aggregate size on the mineralogy, microstructure and water retention property of lime-treated saline soil were investigated. Results showed that there was no cementitious compounds detecting on X-ray diffraction pattern even after a curing time as long as 150 days, due to its low quantity and poorly crystallized or amorphous phase. As a result, the microstructure of lime-treated soil varied slight during curing. The matric suction of lime-treated specimens increased significantly during curing, while the total suction increased slightly. Both total and matric suctions of lime-treated specimens increased as salinity increased. The lime-treated specimens with larger aggregates exhibited a larger modal size and thus had a smaller air entry value.The mechanical behaviour and durability of lime-treated soils were investigated by performing mercury intrusion porosimetry, bender element and oedometer tests on untreated/lime-treated specimens and the specimens subjected to wetting-drying cycles. The lime-treated specimens, as compared to untreated specimens, exhibited higher resistance to wetting-drying cycles, with the pore size distributions keeping almost reversible. The wetting-drying cycles led to reversible changes of small stain shear modulus (Gmax) and an increase of soil compressibility. The synthetic seawater, compared to deionized water, resulted in higher Gmax and higher compressibility for lime-treated soil. After wetting-drying cycles, the lime-treated specimens with lager aggregates (Dmax = 5 mm) exhibited higher yield stress and lower compressibility than the lime-treated specimens with smaller aggregates (Dmax = 0.4 mm)
Le traitement à la chaux peut améliorer la maniabilité et les propriétés hydromécaniques des sols grâce à différentes réactions physico-chimiques telles que l'échange cationique et la réaction pouzzolanique. L'efficacité du traitement à la chaux pourrait dépendre de la chimie de l'eau et du climat. Afin de comprendre les effets de la salinité et du climat sur les sols traités à la chaux, le projet DIGUE 2020 a été mis en place avec une digue construite aux Salin-de-Giraud en employant des sols salins locaux. Dans l’étude de cette thèse, un travail expérimental au laboratoire a été réalisé pour caractériser le comportement hydromécanique des sols prélevés des Salin-de-Giraud avec et sans traitement à la chaux, en mettant l'accent sur les effets de la salinité et des cycles d'humidification-séchage. Afin de bien caractériser l'effet de la salinité, de nouvelles méthodes ont été proposées pour déterminer la salinité dissoute et la succion osmotique induite pour les sols non saturés, en tenant compte des sels dissous et précipités. Les mécanismes liés à l'effet de la salinité sur la limite de liquidité et le comportement de compactage des sols non traités, et à l'effet de la dessiccation sur la microstructure des sols salins compactés ont été clarifiés. La teneur en chaux optimale des sols avec l'eau déminéralisée, l'eau de mer synthétique et une solution d’un mélange de sels a été déterminée par la méthode du pH. Les résultats ont montré que la teneur en chaux optimale augmentait avec l'augmentation de la concentration en sel, ce qui peut être attribué à la consommation d'ions OH- par les ions Mg2+ et Ca2+ dans la solution saline, provoquant les précipitations de Mg(OH)2 et de CaCO3.Les effets de la salinité et de la taille des agrégats sur la minéralogie, la microstructure et la propriété de rétention d'eau des sols salins avec et sans traitement à la chaux ont été étudiés. Les résultats ont montré qu'il n'y avait pas de produits cimentaires détectés sur le diagramme de diffraction des rayons X même après un temps de cure aussi long que 150 jours, en raison de sa faible quantité et de sa phase mal cristallisée ou amorphe. En conséquence, la microstructure du sol traité à la chaux variait légèrement pendant la cure. La succion matricielle des éprouvettes traitées à la chaux a augmenté de manière significative pendant la cure, tandis que la succion totale a légèrement augmenté. Les succions totales et matricielles des éprouvettes traitées à la chaux augmentaient à mesure que la salinité augmentait. Les éprouvettes traitées à la chaux avec des agrégats plus gros présentaient une taille modale plus grande et avaient donc une valeur d'entrée d'air plus petite. Le comportement mécanique et la durabilité des sols traités à la chaux ont été étudiés en effectuant des essais de porosimétrie par intrusion de mercure, d'élément piézo-électrique et à l’oedomètre sur des échantillons non traités/traités à la chaux et des échantillons soumis à des cycles d’humidification-séchage. Les éprouvettes traitées à la chaux, par rapport aux éprouvettes non traitées, présentaient une résistance plus élevée aux cycles d’humidification-séchage, les distributions de la taille des pores restant presque réversibles. Les cycles d’humidification-séchage ont conduit à des changements réversibles du module de cisaillement de petites déformations (Gmax) et à une augmentation de la compressibilité du sol. L'eau de mer synthétique, par rapport à l'eau déminéralisée, a entraîné un Gmax plus élevé mais une compressibilité plus grande pour le sol traité à la chaux. Après les cycles d’humidification-séchage, les éprouvettes traitées à la chaux avec des agrégats plus gros (Dmax = 5 mm) avaient une limite élastique plus élevée et une compressibilité plus faible que les échantillons traités à la chaux avec des agrégats plus petits (Dmax = 0.4 mm)
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tel-03467855 , version 1 (06-12-2021)

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  • HAL Id : tel-03467855 , version 1

Cite

Zi Ying. Hydro-mechanical behavior of lime-treated/untreated soils under the effects of salinity and wetting-drying cycles. Géotechnique. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0019⟩. ⟨tel-03467855⟩
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