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Apr 04, 2023

Dégradation de la durabilité et de la résistance des sols traités au biopolymère à base de gomme de xanthane soumis à des cycles d'altération sévères

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19453 (2022) Citer cet article

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Les traitements des sols à base de biopolymères ont montré leur efficacité dans l'amélioration des sols, avec une mise en œuvre réussie à l'échelle du champ. Dans cette étude, nous avons exploré l'effet de l'humidification-séchage cyclique (W-D) et du gel-dégel (F-T) sur la résistance et la durabilité des sols traités aux biopolymères. Les résultats indiquent que les cycles W–D et F–T dégradent progressivement la résistance du sol en raison de l'adsorption d'eau et de la dilution locale des biopolymères. Le sable mal calibré était très vulnérable à ces effets des intempéries; cependant, ce problème était atténué lorsque le sol contenait une teneur en fines de 15 à 25 %. Ces sols traités aux biopolymères ont résisté efficacement à de nombreux cycles de W–D et F–T, ce qui indique que les sols traités aux biopolymères conviennent au renforcement des talus en terre.

Récemment, des ingénieurs géotechniciens ont tenté de développer des méthodes de traitement biologique des sols et d'amélioration des sols pour atténuer les préoccupations environnementales liées au ciment à forte émission de CO2 dans les pratiques d'ingénierie géotechnique1. Parmi les approches durables pour le traitement et l'amélioration des sols, le traitement des sols à base de biopolymères (BPST) a montré une amélioration suffisante des propriétés d'ingénierie géotechnique (par exemple, la résistance, le contrôle de la perméabilité et la réduction de l'érosion) du sol et une mise en œuvre réussie à l'échelle du terrain2,3, 4,5,6. De plus, le BPST favorise la germination des graines, la croissance et la résistance à la sécheresse de la végétation en raison de la caractéristique de rétention d'eau élevée et de l'origine organique des biopolymères7,8.

Les propriétés d'ingénierie géotechnique améliorées permettent au BPST d'être une méthode d'amélioration du sol respectueuse de l'environnement pour la prévention de l'érosion/l'affouillement du sol et la protection de la surface des pentes9,10. Cependant, les processus d'altération liés au climat tels que l'humidification-séchage cyclique (W-D) et le gel-dégel (F-T) sont soupçonnés de réduire la résistance des sols renforcés de BPST11. De plus, ces conditions climatiques répétitives peuvent fréquemment accélérer l'érosion des particules et le détachement de la couche de surface, entraînant un environnement végétatif instable. En particulier, les fortes précipitations en été (juin à août) et les températures inférieures à zéro dans le sol de surface en hiver (janvier à février) (Fig. 1) rendent les matériaux de renforcement de la surface des pentes inévitablement plus vulnérables à la dégradation en Corée du Sud12. Pour assurer la fiabilité de l'application sur le terrain du BPST, il est nécessaire d'évaluer la durabilité du BPST contre les conditions atmosphériques fluctuantes.

Températures moyennes de l'air et de la surface et fréquence des précipitations en Corée du Sud (Séoul) de 1981 à 2010. Données de l'Administration météorologique coréenne (https://www.weather.go.kr).

Les méthodes d'essai standard ASTM D559 et D560 spécifient les méthodes d'évaluation de la durabilité des mélanges sol-ciment exposés aux intempéries, où les deux normes proposent de surveiller la perte de masse des échantillons de sol d'ingénierie après avoir été exposés à 12 cycles de W–D ou F– T13,14. Cependant, le brossage des échantillons est vulnérable à la diversité des données expérimentales acquises par différents opérateurs15. En réponse, la durabilité des mélanges de sols artificiels a été évaluée en mesurant la résistance à la compression non confinée (qu) pour améliorer la précision en réduisant les erreurs des expérimentateurs16,17,18,19,20,21.

Bien que certaines recherches aient évalué la durabilité des sols traités aux biopolymères en mesurant qu après exposition à des conditions climatiques cycliques, des études antérieures se sont principalement concentrées sur les intempéries W–D21,22,23,24,25. Cependant, les sols de surface subissent généralement un gel et un dégel répétitifs, ce qui affecte gravement la stabilité et l'érodabilité du sol le long des pentes pendant les saisons hivernales dans les régions des latitudes moyennes de l'hémisphère nord26,27. En particulier, il a été rapporté que l'érosion présente un risque majeur pendant la période de dégel, où le ruissellement de surface peut détacher des particules de la surface du sol ameublie28. Ainsi, l'analyse de durabilité F–T doit être évaluée pour le BPST. De plus, bien que la composition du sol dans le BPST améliore la résistance et la maniabilité, ces réponses n'ont pas encore été suffisamment étudiées.

Par conséquent, les principaux objectifs de cette étude étaient de déterminer si le BPST est affecté par les conditions d'altération cycliques W–D et F–T et de suggérer une composition de BPST plus efficace en tant que matériau de renforcement des pentes. En détail, cette étude a évalué la durabilité des sols traités aux biopolymères à la gomme de xanthane (XG) et à la gomme de xanthane-amidon (XS), qui ont été appliqués par pulvérisation humide sur la construction de pentes de talus avec différentes teneurs en fines9. La durabilité des échantillons XG et XS BPST exposés à des cycles répétitifs W–D et F–T a été évaluée en fonction de la perte de poids. L'effet de la composition du sol (c'est-à-dire la teneur en fines) a été analysé dans des conditions d'altération accélérées complètes (c'est-à-dire W–D et F–T cycliques) afin de fournir une recette de mélange compétitive pour les applications sur le terrain.

Cette étude s'est concentrée sur les composés de deux biopolymères polysaccharidiques de type gel ; la gomme xanthane (XG) et l'amidon (ST). Plus précisément, les composés XG et ST (XS) sont un mélange 3: 7 de XG et ST, et cette formulation a été suggérée et vérifiée comme matériau de renforcement de pente-sol dans les études précédentes8,9,10,29, compte tenu de leur renforcement du sol, promotion de la végétation et rapport coût-efficacité9. Combinant XG (objectif de renforcement) avec ST (objectif de faisabilité économique), cette recette aborde l'amélioration de l'applicabilité sur le terrain du traitement des sols à base de XG. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur l'évaluation de la résistance et de la durabilité d'un sol traité au XS dans diverses compositions de sol. De plus, la durabilité du traitement au ciment, la méthode d'amélioration des sols la plus largement commercialisée, et les conditions de traitement au XG pur ont été comparées à celles des sols traités au XS. Le détail des matériaux individuels est décrit ci-dessous.

XG (CAS : 11138-66-2 ; Sigma-Aldrich), produit par Xanthomonas campestris, est un biopolymère polysaccharidique couramment appliqué dans la recherche actuelle en ingénierie géotechnique. La structure XG consiste en un squelette répétitif de β-d-glucose lié en 1,4 avec des chaînes latérales composées de deux molécules de mannose et d'une molécule d'acide glucuronique30. Les puits XG forment un hydrogel visqueux lorsqu'ils sont dissous dans l'eau en raison de la charge négative des groupes d'acide pyruvique et glucuronique sur les chaînes latérales contribuant à la liaison des molécules d'eau31. Le XG est couramment utilisé comme épaississant dans les industries alimentaires, cosmétiques et pétrolières et comme agent de renforcement des sols en géotechnique32,33,34.

Le ST (CAS n° 9005-25-8, Sigma Aldrich), l'un des biopolymères les plus commercialisés, est composé d'amylose et d'amylopectine. Lorsqu'il est dissous dans de l'eau chauffée (> 90 °C), l'amylose peut induire une gélification, formant un gel ferme lorsqu'il est refroidi, tandis que l'amylopectine forme des granules gonflés qui augmentent la viscosité du fluide35. Plusieurs types de ST existent en fonction des plantes d'origine (par exemple, maïs, pomme de terre, casaba) et des rapports correspondants d'amylose à l'amylopectine. En raison de son rapport coût-efficacité, des combinaisons de ST et d'autres biopolymères sont à l'étude pour être utilisées comme matériaux de liaison au sol36. Par exemple, cette étude a utilisé du maïs ST, qui contient environ 25 % d'amylose, pour préparer des composés XG et ST (XS) comme matériaux de renforcement pour les surfaces des pentes des digues9.

Le ciment Portland ordinaire (fabricant : Eugene Koryeo Cement Co.) a été utilisé dans cette étude pour comparaison avec les cas de BPST. Le ciment utilisé avait une densité de 3,1, un diamètre moyen de grain de 14 μm et une surface spécifique de 2800 cm2/g.

Le sable Jumunjin est un matériau de sable standard en Corée. Le sable, classé comme sable mal classé (SP) selon les critères du système de classification unifiée des sols (USCS), a une granulométrie moyenne (D50) de 0,51 mm et une densité (Gs) de 2,65. Il a un coefficient d'uniformité (Cu) de 1,12, un coefficient de courbure (Cc) de 0,98 et des taux de vide maximum et minimum (emax et emin) de 0,89 et 0,64, respectivement. La distribution granulométrique est illustrée à la Fig. 2.

Distribution granulométrique du sable et du sol résiduel coréen.

Le sol résiduel coréen (KRS), également appelé hwangtoh (en coréen) ou sol jaune rouge, a été utilisé pour analyser l'effet de la teneur en fines et simuler les conditions du sol in situ. KRS est principalement composé de limon avec de l'argile et a un Gs de 2,7. Le KRS est classé comme sable argileux (SC) en fonction de sa distribution granulométrique (D50 de 0,07 mm), comme le montre la Fig. 2. Les limites d'Atterberg du KRS (c'est-à-dire la limite de liquidité = 31 % et l'indice de plasticité = 15) ont été obtenues selon la norme ASTM D4318, comme indiqué dans le tableau 137.

Avant la préparation des échantillons, du sable propre et du KRS ont été séchés dans un four à 110 ° C pendant 24 h. Dans cette étude, le sable de jumunjin et le KRS ont été mélangés avec des biopolymères XG et XS. En mélangeant du sable de jumunjin et du KRS avec différents rapports de masse, quatre compositions de sol ont été préparées conformément aux normes de conception des digues fluviales (tableau 1)38. La limite de liquidité des mélanges sable-KRS préparés (à l'exclusion du sable pur) a été déterminée par un test de cône de chute à l'aide d'un cône britannique (angle de pointe 30°, masse 80 g)39,40.

Les composés XS secs ont été dissous dans de l'eau déminéralisée pour obtenir des hydrogels biopolymères mb/mw = 8 % (mb/mw = rapport massique biopolymère/eau). Par la suite, le sol séché a été mélangé uniformément avec la solution de biopolymère à mw/ms (rapport massique de l'eau au sol) = 25 %, ce qui a donné une teneur en biopolymère au sol en masse (mb/ms) de 2 % avec une teneur en eau initiale de 25 %. Cette teneur en eau initiale (c'est-à-dire le rapport de mélange de l'eau au sol) est la même pour tous les échantillons de sol traités au biopolymère dans cette étude, basée sur des recherches antérieures concernant le test de compactage du sol KRS et une étude de cas d'application sur le terrain pour le sol traité XS9 ,41. De la même manière, des échantillons de sol traités au XG pur ont été préparés à mb/ms de 1 % et 2 % pour le sable. De plus, le ciment sec a été dissous dans de l'eau déminéralisée à un rapport eau-ciment de 2,5: 1, puis mélangé avec du sable pour obtenir une teneur en ciment de 10% à une teneur en eau initiale de 25%, ce qui représente un mélange sol-ciment typique20. Tous les mélanges liant-sol préparés dans cette étude sont résumés dans le tableau 2.

Les mélanges liant-sol préparés ont été versés et tassés dans un moule cylindrique standard en PVC d'un diamètre intérieur de 50 mm et d'une hauteur de 100 mm (c'est-à-dire un rapport longueur/diamètre de 2). Lorsqu'un sol traité au biopolymère est mis en œuvre dans une pente de champ comme couche de protection de surface (c.-à-d. 5 à 10 mm d'épaisseur), il est généralement exposé à l'air et séché par évaporation. Se concentrer sur la façon dont les environnements d'altération cyclique dégradent la résistance à sec du sol traité au biopolymère après que le traitement au biopolymère a fourni des effets de renforcement suffisants grâce au séchage à l'air ; tous les spécimens ont été séchés de manière équivalente à température ambiante (23 °C) pendant 28 jours jusqu'à ce que le poids de l'échantillon de sol ne soit plus modifié9. Le moule en PVC a été retiré après 7 jours pour assurer un séchage adéquat dans toutes les directions. La densité sèche initiale moyenne et la teneur en eau après 28 jours de séchage sont répertoriées dans le tableau 2. Tous les échantillons ont été préparés en triple pour obtenir des valeurs de résistance moyennes fiables.

Tous les échantillons séchés pendant 28 jours ont été exposés à des conditions climatiques facilitées : processus cycliques W–D et F–T selon les méthodes suggérées dans ASTM D559 et ASTM D560. Cependant, les durées de cycle spécifiées dans les normes n'ont pas été rigoureusement respectées, car elles ont été jugées trop courtes pour le sol traité aux biopolymères13,14 (Fig. 3). La norme ASTM D559 définit un cycle W–D comme 5 h d'immersion de l'échantillon suivie d'un processus de séchage suffisant et suggère au moins 12 cycles répétés, équivalents à 60 h de temps de trempage cumulé13. En revanche, cette étude a mené un cycle W – D d'immersion d'échantillons dans de l'eau distillée pendant 24 h (Fig. 4a), suivi d'un minimum de 48 h de séchage au four à 35 ° C jusqu'à ce que la teneur en eau atteigne la valeur de teneur en eau précédente avant immersion, simulant ainsi une condition climatique plus sévère. Ce processus de mouillage-séchage a été répété six fois, ce qui équivaut à un total de 144 h de temps de trempage cumulé.

Ordre d'altération cyclique dans des conditions de laboratoire.

Test de durabilité d'un sol traité au biopolymère en laboratoire. (a) Mouillage, (b) Congélation (− 20 °C), (c) Mesure de la résistance à la compression non confinée des spécimens XS2, XS2(15), XS2(25) et XS2(50) (témoins).

Le cycle F – T consistait à congeler des échantillons à - 23 ° C (250, 15 K) pendant 24 h (Fig. 4b) à l'aide d'une chambre de congélation de laboratoire (FMG-300, JEIO Tech.), puis à les décongeler pendant 23 h à 23 ° C (température ambiante selon ASTM D56014. Les processus W – D et F – T ont été répétés six fois, et la durabilité des sols a été analysée en termes de qu et de variation du poids du sol après la fin de chaque cycle (Fig. 4c).

Des essais de compression non confinés ont été effectués pour évaluer le qu et la rigidité (E50) après le nombre de cycles à l'aide d'un appareil de chargement universel (HM-5030.3F, Humboldt). Le taux de chargement des tests de compression a été fixé à 1 % de déformation (1 mm) par minute. Avant le chargement sur la machine, tous les échantillons ont été rognés pour aplatir les surfaces supérieure et inférieure. Les échantillons ont ensuite été comprimés jusqu'à la rupture, et la charge axiale a été obtenue automatiquement toutes les 1 s. Les valeurs de qu ont été obtenues en utilisant la contrainte axiale maximale représentée dans les courbes contrainte-déformation. Le module d'élasticité sécant (E50) a été obtenu en mesurant la pente entre l'origine et la moitié des coordonnées de résistance maximale (1/2 qu) pour toutes les courbes contrainte-déformation.

Les microstructures du sol traité au biopolymère ont été observées à l'aide d'un équipement de microscope électronique à balayage (MEB) (JSM-IT800, JEOR, Japon). Les échantillons broyés obtenus après essai de compression libre à chaque cycle ont été fixés sur un support SEM de 50 mm de diamètre avec des languettes conductrices en carbone. Les spécimens ont été recouverts d'osmium (OsO4) pendant 10 s sous vide à l'aide d'un enrobeur au plasma (OPC-60A).

Les figures 5A,B montrent le développement de la contrainte-déformation, la résistance à la compression non confinée (qu) et le module sécant (E50) des sept échantillons BPST séchés pendant 28 jours avant l'exposition au cycle d'altération (tableau 3). Après 28 jours de déshydratation, la teneur en eau résiduelle de tous les cas de l'échantillon était inférieure à 2 %.

Développement de contrainte-déformation et paramètres de résistance pour les témoins (0 cycles).

Pour le sable jumunjin pur, X2 (2095 kPa) avait le qu initial le plus élevé, suivi de C10 (1938 kPa), XS2 (1546 kPa) et X1 (1436 kPa) (Fig. 5a). Lorsque la solution XG et XS a été ajoutée au sol sableux, la solution visqueuse XG et XS entre en contact avec la surface à gros grains. Ils enrobent les particules de sable et forment un film visqueux qui crée des ponts entre les particules34. Ensuite, en permettant l'évaporation de l'eau pendant la période de durcissement, la déshydratation à l'air transforme les hydrogels XG et XS en films condensés et rigides qui peuvent fournir une force de liaison plus élevée (Fig. 6a). La formation de matrices intergranulaires parmi les grains de sable a principalement contribué à l'augmentation du qu global et de l'E50 du sol traité au biopolymère. Par conséquent, le sol traité au biopolymère séché présentait une résistance comparable à celle du sol traité au ciment, même dans un sol sans cohésion. De plus, une fois déshydratée, une teneur plus élevée en XG s'accompagnait d'une matrice XG plus étendue et plus épaisse, entraînant des valeurs de qu et E50 plus élevées. Même si le traitement X2 du sable donne un qu plus élevé que le traitement du ciment, il présente une ductilité plus élevée avec une rigidité plus faible par rapport à C10.

Images SEM d'un sol traité par XS non exposé. (a) XS2, et (b) XS2(15).

La composition du sol affecte également qu, car il est évident qu'un sol avec une teneur en fines plus élevée a un qu plus élevé que le sable pur avec la même teneur en XS. Par exemple, lorsque 15 %, 25 % et 50 % de fines ont été inclus dans le sol, qu a augmenté de 1,1, 1,2 et 2,3 fois, et E50 a augmenté de 1,3, 1,7 et 2,4 fois pour XS2(15), XS2( 25) et XS2(50), respectivement (Fig. 5b). C'est parce que le biopolymère XS peut interagir directement avec les particules d'argile via des interactions électrostatiques, des liaisons hydrogène et des liaisons ioniques en raison des charges électriques sur les surfaces d'argile34. En d'autres termes, les monomères biopolymères et les particules fines se combinent pour former un pont interparticulaire entraînant la formation de matrices biopolymère-argile denses et étroitement liées, accompagnées d'un effet de conglomération qui agglomère les matrices biopolymère-argile des grains de sable et se comporte comme des grains secondaires entre les particules de sable3 (Fig. 6b). Par conséquent, sur la base du fait que la résistance à sec et la rigidité élevées sont obtenues par un ajout fin à l'état initial (dans un état non exposé), nous pouvons anticiper que l'ajout fin aura un effet positif similaire sur la résistance aux intempéries répétées.

Les réponses des échantillons BPST exposés à W – D cyclique sont présentées à la Fig. 6. Bien que les sables purs traités par XG et XS (c. C10) avant exposition au mouillage, les cas X1, X2 et XS2 se sont instantanément effondrés lors du premier processus d'immersion en raison de leur propre poids (Fig. 7a). Ainsi, les conditions X1, X2 et XS2 étaient inappropriées pour l'évaluation dans les cycles W–D suivants. Lorsque le sable pur traité aux biopolymères a été déshydraté, les biopolymères en tant que phase de gel remplissant les pores ont rétréci et se sont transformés en biofilm de traction, ce qui a entraîné une structure de grains interconnectés avec des vides34. L'eau pénètre dans les pores lorsque les échantillons séchés sont immergés, provoquant le gonflement du biopolymère (c'est-à-dire qu'un changement de phase vers un état d'hydrogel visqueux se produit)42. Le gonflement important provoqué par le processus de réhydratation, qui est principalement induit par l'hydrophilie du biopolymère, détériore la force de liaison, provoquant l'effondrement des échantillons sous leur propre poids.

Réponse à l'exposition sous cycles W–D. (a) L'effondrement des échantillons XS2 au premier mouillage. (b) Développement de fissures dans XS2(50) après le deuxième cycle W–D. (c) XS2(50) se divisant en fragments après un gonflement et un rétrécissement répétés (après le sixième cycle). Courbes de contrainte-déformation après W–D cyclique (1–6 cycles) de (d) XS2(15), (e) XS2(25), (f) XS2(50) et (g) C10.

Après des cycles W – D répétés, les valeurs de contrainte axiale maximale ont diminué et la déformation correspondant à la valeur de contrainte axiale maximale a augmenté dans les autres cas de traitement au BPST et au ciment (Fig. 7d – g). Plus précisément, XS2 (15) et XS2 (25) présentaient une ductilité plus élevée avec une déformation de rupture accrue (c'est-à-dire plus de 1% de déformation) (Fig. 7d, e), ce qui implique que les perturbations cycliques du film de biopolymère augmentent la possibilité de haute ductilité et adoucissement des sols traités aux biopolymères23. Semblable à XS2 (15) et XS2 (25), XS2 (50) a montré une réduction rapide de la contrainte maximale, tandis que la déformation à la rupture a diminué, ce qui implique une ductilité plus faible (Fig. 7f). Cela s'est produit en raison des fissures observées après des cycles répétés (Fig. 7b, c). Contrairement aux sols traités au biopolymère, le C10 a conservé un comportement relativement fragile après W – D cyclique, avec une rupture se produisant à environ 1% de déformation (Fig. 7g).

La figure 8 présente les qu et E50 après les premier à sixième cycles W–D. Les valeurs qu de tous les spécimens ont progressivement diminué avec le nombre de cycles W – D (Fig. 8a). En particulier, XS2(50), qui a maintenu le qu le plus élevé (2765 kPa) jusqu'au premier cycle, a présenté une forte diminution après le deuxième cycle. Pendant ce temps, les valeurs qu de C10, XS2 (15) et XS2 (25) ont progressivement diminué jusqu'au sixième cycle, alors que ces échantillons ont maintenu un qu supérieur à celui de XS2 (50) après le deuxième cycle. Après le sixième cycle W–D, le qu était le plus élevé en C10, suivi de XS2(15), XS2(25) et XS2(50). Les valeurs qu de XS2(15) et XS2(25) ont satisfait à l'exigence de résistance (supérieure à 490 kPa) pour le maintien de la végétation sur les surfaces en pente recommandée par le ministère des Terres, des Infrastructures et des Transports (MOLIT) de Corée du Sud, même après six cycles43 . De plus, la détérioration E50 de XS2(15) et XS2(25) s'est principalement produite au cours du premier cycle et est devenue constante après le premier cycle (Fig. 8b). En revanche, la valeur E50 de XS2(50) a montré une diminution continue avec les cycles W–D, montrant une tendance similaire aux résultats qu.

Résultat du test de durabilité cyclique W–D (a) qu, (b) E50.

Comme indiqué précédemment sur les figures 7b, c, une détérioration rapide de XS2 (50) a été observée en raison de fissures développées à la surface des échantillons malgré leur résistance initiale élevée. Pendant le processus de séchage, des fissures sont générées à la surface de XS2(50) en raison du retrait et du gonflement extrêmes causés par la perte et l'absorption d'humidité. Le biopolymère XG a une affinité naturelle pour l'eau, provenant des chaînes latérales anioniques de sa structure moléculaire30. Ainsi, les sols traités aux biopolymères, en particulier ceux qui contiennent des fines, attireraient et retiendraient plus d'humidité dans la matrice du sol grâce à des effets synergiques avec l'activité de l'argile44. On s'attendait à ce que cette caractéristique contribue à un rétrécissement plus important, en particulier dans XS2(50), avec une teneur plus élevée en fines. Une fois qu'une fissure se produit sur la surface, le gonflement et le retrait peuvent être accélérés car l'eau peut facilement pénétrer dans les échantillons et réagir avec une surface spécifique plus grande qu'auparavant. Avec la croissance des fissures de surface, les échantillons XS2(50) ont finalement été divisés en plusieurs fragments, ce qui a donné un qu moins de 1/36 fois (après le quatrième cycle) la résistance initiale.

La figure 9 présente la perte de sol cumulée par rapport au poids initial de chaque échantillon lors de la répétition du processus W–D. À la fin du sixième cycle W–D, les échantillons XS2(25) présentaient la moindre perte de poids de 1,5 %, tandis que XS2(15) et XS2(50) présentaient des pertes de 4 % et 4,5 %, respectivement. XS2(15) et XS2(50) ont montré un détachement de particules grossières à la surface pendant le processus d'immersion, ce qui indique que le film de biopolymère dilué par une exposition répétée à l'humidité a progressivement perdu ses capacités de liaison au sol. La perte de sol survenue dans XS2(50) provenait du décollement à la périphérie des fissures plutôt que de la surface globale. Cependant, tous les sols traités au XS ont démontré une perte de sol admissible basée sur les critères de la Portland Cement Association (c. % pour un sol granulaire avec un indice de plasticité supérieur à 10)45,46.

Variation de la perte de masse cumulée du sol traité par XS en fonction du nombre de cycles W–D.

La figure 10 montre la corrélation entre la quantité de perte de sol cumulée et le qu du sol traité au biopolymère après chaque cycle. La perte de sol qu-a montré une corrélation exponentielle avec des valeurs R2 élevées, ce qui correspond aux observations de Baghadadi et Shihata15. Cependant, il a été démontré que les sols traités aux biopolymères, y compris les sols avec de grandes fines (par exemple, XS2 (50)), peuvent présenter une corrélation biaisée en raison des dommages graves causés par la génération de fissures après six cycles. Ainsi, les méthodologies conventionnelles d'évaluation de la durabilité W–D pour le sol-ciment pourraient être appropriées pour les sols traités aux biopolymères, qui comprennent une fraction de 15 à 25 % de fines.

Relation entre la perte de sol cumulée et le qu résiduel du sol traité aux biopolymères.

La figure 11 présente la courbe contrainte-déformation axiale de tous les sols stabilisés après le processus répétitif F–T. Au fur et à mesure que le nombre de cycles F – T augmentait, les valeurs de contrainte axiale maximale diminuaient et la déformation correspondant à la contrainte axiale maximale augmentait (c'est-à-dire l'adoucissement de la déformation) dans tous les sols stabilisés (Fig. 11a – g). Bien que les sables purs traités aux biopolymères (c'est-à-dire X1, X2 et XS2) aient subi de graves perturbations au début du processus W – D, ils ont montré une résistance plus élevée contre le processus F – T sans aucune perturbation par rapport aux échantillons correspondants sous le W –D conditions climatiques (Fig. 11a–c). Les échantillons BPST avec une teneur en XG plus élevée ont montré un comportement plus fragile que ceux avec une teneur en XG plus faible au stade initial, alors que la déformation à la rupture a augmenté à plus de 2 % après les cycles F – T dans X1 et X2, démontrant une ductilité accrue en tant que nombre de F Cycles –T augmentés. D'autre part, tous les sols traités au XS présentaient une tendance à l'adoucissement similaire aux autres, mais le degré de changement de déformation à la rupture entre 0 et 6 cycles diminuait dans des conditions de teneur en fines plus élevées (Fig. 11c – f). C10 a toujours montré moins de comportement d'adoucissement avec une plus petite déformation de rupture (c'est-à-dire environ 1% de la déformation) que les sols traités au biopolymère, similaire au résultat W – D (Fig. 11g). Cependant, la variation de la contrainte maximale par le cycle F – T se situait dans la plage correspondant à celle des sols traités au biopolymère, ce qui indique que le sol traité au biopolymère est compétitif avec le sol traité au ciment en termes de performances de résistance F – T.

Courbes contrainte-déformation après F–T cyclique (1–6 cycles) de (a) X1, (b) X2, (c) XS2, (d) XS2(15), (e) XS2(25), (f) XS2(50) et (g) C10.

Le qu et E50 après chaque cycle F – T, comme le montre la Fig. 12, ont diminué de manière linéaire à mesure que le nombre de cycles F – T augmentait. XS2(50), X2 et XS2(25) ont maintenu un qu supérieur (3203, 1728 et 1507 kPa) à C10 (1400 kPa) après six cycles, contrairement aux réponses W–D. Les autres sols traités aux biopolymères (XS2(15), XS2 et X1) ont également satisfait à l'exigence de résistance (supérieure à 490 kPa) recommandée pour la stabilisation des talus en Corée43. De plus, la rigidité du sol traité au biopolymère a montré une légère diminution de la même manière que qu. L'E50 résiduel du sol traité au biopolymère après le procédé F–T avait une plage inférieure à celle du sol traité au ciment, à l'exception de XS2(50).

Résultat du test de durabilité cyclique W–D. (a) qu et (b) E50.

Les tendances de perte de poids cumulée des sols traités par XS sont illustrées à la Fig. 13. La perte de sol cumulée était inférieure à 0, 5%, ce qui était moins significatif que les résultats W – D, atteignant 5% de perte de masse. Une petite quantité de perte de poids s'est produite dans chaque sol traité par XS après les premier et deuxième cycles, mais les poids des échantillons ont légèrement augmenté à mesure que le nombre de cycles F–T augmentait après le troisième cycle. Cette augmentation marginale du poids pourrait être due à la condensation d'humidité qui s'est produite à la surface des échantillons pendant la congélation. Ainsi, une corrélation entre la résistance résiduelle et la perte cumulée n'a pas été observée dans le processus F – T.

Variation de la masse cumulée du sol traité XS en fonction du nombre de cycles F–T.

L'indice de durabilité (DI) et le rapport de réduction de la résistance (SRR) (c.-à-d. SRR = 1 − DI) ont été pris en compte pour analyser l'effet des cycles W–D et F–T sur les caractéristiques de résistance et la durabilité des sols traités aux biopolymères. L'indice de durabilité (DI) est le pourcentage déterminé en divisant le qu restant après le nombre de cycles W–D ou F–T souhaité par celui d'un échantillon identique soumis à seulement 28 jours de cure47 ;

où qu,N = UCS après N fois de cycles ; et qu,0 = UCS avant exposition aux cycles.

Les figures 14a, b présentent le DI et le SRR des sols traités XS2 sous W – D, respectivement. Comme mentionné ci-dessus, les échantillons X1, X2 et XS2 ont été exclus en raison de l'effondrement massif aux premiers stades W – D (Fig. 7a). Dans des conditions d'altération W–D, le sol traité au biopolymère présentait généralement des performances de durabilité insatisfaisantes par rapport au sol traité au ciment. En particulier, il a montré une plus grande vulnérabilité dans le sable pur et le KRS pur qui a 50% de fraction argileuse. Ces résultats sont profondément liés à la nature hydrophile du biopolymère lui-même, accompagnée d'une capacité d'absorption d'humidité élevée (c'est-à-dire, des valeurs tampons d'humidité plus élevées) par rapport au ciment48.

Durabilité et effet de la teneur en fines des sols traités par XS sous des processus d'altération cycliques. (a) Indice de durabilité (W–D), (b) rapport de réduction de résistance par cycle (W–D), (c) indice de durabilité (F–T), (b) rapport de réduction de résistance par cycle (F–T).

Dans le sable pur, l'attraction de l'humidité entraîne une détérioration de la résistance par gonflement et dilution locale à l'extérieur de la couche de biopolymère, empêchant le gel visqueux de biopolymère de se lier aux particules de sol23. En particulier, étant donné que l'interaction électrostatique entre les particules de sable et le biopolymère est faible, on peut s'attendre à ce que la dégradation de la résistance soit principalement induite par le détachement des particules à l'interface avec l'eau (partie la plus externe) lors de la mise en œuvre du traitement au biopolymère XS avec du sable mal calibré pour la protection des pentes.

Dans le sol KRS pur (XS2(50)), bien qu'il ait eu le qu initial le plus élevé, des fissures sont progressivement apparues et ont montré un DI significativement faible d'environ 2 %. Ce comportement de détérioration est principalement causé par un gonflement et un retrait importants induits par l'absorption d'eau synergique de l'activité des biopolymères et de l'argile33,49. Par conséquent, lorsque nous avons mis en place une couche de protection des pentes en utilisant le traitement au biopolymère XS avec un sol riche en fines, il existe un risque de fissuration en vrac dans la couche ou de détachement et de glissement de la couche elle-même sur le terrain.

Entre-temps, il a confirmé que ces vulnérabilités peuvent être atténuées au niveau du sol avec 15 % et 25 % de fraction fine. XS2(15) et XS2(25) ont montré des valeurs DI de 37 % et 34 % après six cycles W–D, et le SRR est passé de 100 % (dans du sable pur) à moins de 18 % et 13 %, respectivement, après le premier cycle (Fig. 14a,b). Bien que le processus répété W – D induit partiellement une altération vers l'extérieur sur les matrices d'argile XS, on peut voir que la conglomération avec des grains de sable est maintenue après les cycles W – D, montrant un indice de durabilité d'environ 35% (Fig. 15a).

Images SEM de XS2(15) après 6 cycles de vieillissement. (a) W–D, et (b) F–T.

Dans le processus F – T, le DI de tous les sols traités au biopolymère a montré une diminution progressive, se maintenant dans une plage de 72 à 90% après six cycles (Fig. 14c). Comparativement au sol traité au ciment retenant 80 % de DI, les sols traités au biopolymère ont présenté une durabilité compétitive dans des conditions climatiques F–T. En particulier, l'ajout de fines a remarquablement amélioré la durabilité F–T en réduisant le SRR de 28 % (dans le sable pur) à 10 % (dans XS2(50)) après six cycles F–T (Fig. 14d).

Généralement, la durabilité F–T d'un sol stabilisé (sol artificiel) est principalement affectée par l'état d'humidité (c'est-à-dire l'eau libre dans les pores), qui est liée à l'expansion du volume due à la formation de glace28,50. Lorsque le gel se produit, l'eau restante dans le sol stabilisé augmente de volume d'environ 9 %51. Lorsque les fluides gelés dans l'espace poreux se dilatent et atteignent l'espace libre disponible dans le pore, une pression hydraulique est appliquée à la matrice de sol stabilisée, accompagnée d'une augmentation progressive de la taille des pores et d'une rupture de liaison entre le liant et les particules de sol50,51, 52. Cependant, les sols traités aux biopolymères évalués dans cette étude, déshydratés pendant 28 jours, ont perdu la majeure partie de l'eau libre occupant les pores par évaporation, entraînant une rétention de la teneur en eau résiduelle de l'ordre de 0,6 à 1,7 %, comme le montre le tableau 2 ( c'est-à-dire réduit de 93 à 98% par rapport à la teneur en eau initiale de 25%). Par conséquent, la perturbation de la matrice du sol due à l'expansion de la formation de glace dans l'espace poreux est ténue dans les échantillons séchés. Au lieu de cela, l'abrasion sur les matrices d'argile biopolymère XS pourrait entraîner une dégradation progressive de la résistance et de la rigidité. La réduction de la résistance et le changement de ductilité sous F – T pourraient être attribués à l'abrasion et à l'affaiblissement cumulatifs des matrices d'argile biopolymère, associés à l'eau condensée (c'est-à-dire l'humidité fraîche) pendant chaque période de congélation à la surface de l'échantillon (Fig. 15b) .

D'après les résultats complets de W–D et F–T dans cette étude, on peut noter que le sol SC (sable argileux selon le système de classification unifiée des sols) contenant 15 à 25 % de fines est avantageux pour la durabilité à long terme de sol traité aux biopolymères. En outre, les normes de conception des rivières en Corée classent la composition du sol pour la construction de remblais en trois niveaux (I, II et III), en tenant compte de la résistance aux fuites et de la prévention des fissures. Les normes stipulent qu'une composition de sol de grade I ou II doit être utilisée pour la construction des remblais38. La composition du sol suggérée par cette étude satisfaisait à la spécification de niveau II (c. - le sol traité sera suffisamment compétitif en termes de performance de résistance et de durabilité lors de l'utilisation du sol SC.

Cependant, bien que la résistance et la perte de sol évaluées dans cette étude soient des indicateurs généraux pour évaluer la durabilité d'un sol stabilisé, cet environnement contrôlé n'a pas pleinement démontré in situ des environnements climatiquement dégradants. Ainsi, d'autres études sur les effets réels des intempéries devraient être menées pour prédire les performances et la stabilité des sols traités aux biopolymères sur le terrain. De plus, les environnements naturels contiennent de nombreux micro-organismes qui peuvent affecter la stabilité biologique des sols traités aux biopolymères. Par conséquent, la dégradation biologique due à l'activité microbienne nécessite une étude plus approfondie.

Dans cette étude, la durabilité globale de la résistance des sols traités aux biopolymères à base de gomme de xanthane sous des cycles cycliques W–D et F–T a été évaluée via une série d'expériences en laboratoire. Le W–D cyclique des sols traités aux biopolymères dégrade progressivement la résistance et la rigidité des sols en raison d'un degré élevé de gonflement résultant de l'hydrophilie dans les conditions W–D. La vulnérabilité était très élevée, en particulier dans les sables mal calibrés. Cependant, la résistance à la détérioration de la résistance était effectivement améliorée lorsque le sol avait une certaine teneur en fines (15 à 25 %). Pendant ce temps, la dégradation de la résistance et la perte de sol causées par le F-T cyclique dans un état suffisamment déshydraté étaient moins graves que celles causées par le W-D, démontrant des performances compétitives par rapport au sol traité au ciment. Étant donné que 15 à 25 % de sols contenant des fines présentent des effets suffisamment positifs à la fois en W – D et en F – T, satisfaisant les propriétés du sol dans les critères de conception de la digue en terre, il convient d'utiliser un sol traité au biopolymère comme renfort de pente en terre. matériel. Cependant, d'autres études sur la durabilité dans des conditions naturelles d'altération climatique devraient être menées pour prédire la performance à long terme sur la base de ces résultats de laboratoire.

Toutes les données expérimentales qui appuient les résultats de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable par courrier électronique.

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Ce travail a été soutenu par les subventions de la National Research Foundation of Korea (NRF) financées par le gouvernement coréen (MSIT) (n° 2022R1A2C2091517 et 2017R1A5A1014883), et le premier auteur est soutenu par Innovative Talent Education Program for Smart City financé par le ministère de Land, Infrastructure and Transport (MOLIT) du gouvernement coréen.

Disposal Performance Demonstration Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), Daejeon, 34057, République de Corée

Minhyeong Lee

Département de génie civil et environnemental, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, 34141, République de Corée

Yeong-Man Kwon, parc Dong-Yeup et Gye-Chun Cho

Département de génie des systèmes civils, Université Ajou, Suwon, 16499, République de Corée

Ilhan Chang

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ML a contribué à la méthodologie, à la validation, à l'investigation, à la conservation des données, à la visualisation et à la rédaction du projet original. YMK a contribué à l'enquête, à la révision et à l'édition du projet. DYP a contribué à l'enquête et à la conservation des données. IC a contribué à la conceptualisation, la validation, la révision et l'édition, et la supervision. GCC a contribué à la conceptualisation, aux ressources, à la supervision et à l'administration du projet.

Correspondance avec Ilhan Chang ou Gye-Chun Cho.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Lee, M., Kwon, YM., Park, DY. et coll. Dégradation de la durabilité et de la résistance du sol traité par un biopolymère à base de gomme de xanthane soumis à des cycles d'altération sévères. Sci Rep 12, 19453 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23823-4

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Reçu : 15 juillet 2022

Accepté : 07 novembre 2022

Publié: 14 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-23823-4

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Environnement, développement et durabilité (2023)

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