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Submitted on 15 Jul 2020
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Influences des matières organiques sur les propriétésphysiques et le comportement mécanique des sédimentsde dragage en vue d’une valorisation dans les travaux
publicsFawzi Hamouche
To cite this version:Fawzi Hamouche. Influences des matières organiques sur les propriétés physiques et le comportementmécanique des sédiments de dragage en vue d’une valorisation dans les travaux publics. Génie civil.Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai, 2018. Français. �NNT : 2018MTLD0002�. �tel-02899528�
N° d’ordre :
IMT LILLE DOUAI
UNIVERSITE DE LILLE
THÈSE
présentée en vue d’obtenir le grade de
DOCTEUR en
Discipline : Génie Civil & Environnemental
par
Fawzi HAMOUCHE
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE LILLE DÉLIVRÉ PAR IMT LILLE DOUAI
Titre de la thèse : « Influences des matières organiques sur les propriétés physiques et le comportement
mécanique des sédiments de dragage en vue d’une valorisation dans les travaux publics »
Soutenue le 22/11/2018 devant le jury d’examen :
Présidente : Nadia SAIYOURI, Professeur, Université de Bordeaux. Rapporteur : Ouali AMIRI, Professeur, Université de Nantes. Rapporteur : Damien RANGEARD, Maitre de conférence HDR, INSA de Rennes. Membre : Nor-Edine ABRIAK, Professeur, IMT Lille Douai. Membre : Vincent PICANDET, Maitre de conférence HDR, Université de Bretagne Sud. Directeur de thèse : Rachid ZENTAR, Professeur, IMT Lille Douai.
Laboratoire d’accueil : Département Génie Civil & Environnemental de IMT Lille Douai.
3
« Dans vingt ans, tu seras plus
déçu par les choses que tu n’auras pas faites que par celles que tu auras accomplies. Alors, largues les amarres, sors du port, attrape les alizés par les voiles. Explore. Rêve. Découvre. »
Mark Twain.
Maktub, Paolo Coelho (1994).
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5
REMERCIEMENTS
J’exprime ma gratitude à mon directeur et encadrant de thèse, Professeur Rachid ZENTAR
pour la confiance qu’il m’a accordée, de m’avoir encadré et conseillé tout au long de ces années
et surtout pour son investissement permanent et ses encouragements très précieux.
Je remercie Monsieur Alain-Louis SCHMITT, Directeur de l’IMT Lille Douai et Chef du
département Génie Civil et Environnemental, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et mis
à ma disposition les moyens techniques et financiers pour effectuer ce travail.
Je remercie également la Région Hauts-de-France pour son soutien financier.
Je tiens à remercier Nadia SAIYOURI, Professeur à l’Université de Bordeaux, de m’avoir
fait l’honneur de présider le jury de ma thèse. Il me tarde de remercier vivement les Professeurs
Ouali AMIRI et Damien RANGEARD de m’avoir fait l’honneur d’être les rapporteurs de ma
thèse, pour leurs expertises et l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail. Merci également aux
Professeurs Nor-Edine ABRIAK et Vincent PICANDET d’avoir acceptés de prendre part au
jury afin d’évaluer mon travail.
Je remercie toute l’équipe du département Génie Civil et Environnemental de l’IMT Lille
Douai, professeurs, enseignants-chercheurs, doctorants, techniciens pour m’avoir aidé, épaulé,
écouté et conseillé tout au long de ces années. Merci tout particulier au Professeur Mahfoud
BENZERZOUR, Monsieur Frédéric BECQUART, Madame Carole DELCHAMBRE,
Mokrane, Ilyas, Amine, Walid et Océane pour leurs conseils et leurs encouragements.
Un merci, aussi distingué que la concernée, s’adresse à ma future épouse, Lillia, pour son
soutien attentif au quotidien durant toutes ces longues années.
Je remercie bien évidemment mes parents d’avoir fait de moi ce que je suis aujourd’hui
et pour leur soutien malgré la distance. Un grand merci à mon oncle Mourad, mes frères Fouad,
Fares, ma sœur Chahrazed et mon ami d’enfance Ryadh pour leurs soutiens et leurs
encouragements.
J’exprime ma reconnaissance envers toutes les personnes qui ont, de près ou de loin,
contribué à la réalisation de ce travail.
6
7
TABLE DES MATIÈRES
REMERCIEMENTS ............................................................................................................................... 5
TABLE DES MATIÈRES ....................................................................................................................... 7
LISTE DES FIGURES .......................................................................................................................... 12
LISTE DES TABLEAUX ..................................................................................................................... 15
INTRODUCTION GÉNÉRALE ........................................................................................................... 17
CHAPITRE I : Synthèse Bibliographique ..................................................................... 21
1. Introduction ................................................................................................................................... 23
2. Notions sur les sédiments de dragage ............................................................................................ 24
2.1. Définition : ............................................................................................................................ 24
2.2. Origines et nature : ................................................................................................................ 24
2.2.1. Les sédiments fluviaux : ................................................................................................ 25
2.2.2. Les sédiments marins : .................................................................................................. 25
2.3. Composition : ........................................................................................................................ 26
2.3.1. La phase minérale : ........................................................................................................ 27
2.3.2. La phase liquide :........................................................................................................... 28
2.3.3. Les polluants : ............................................................................................................... 29
2.3.4. La phase organique : ...................................................................................................... 31
2.4. Réglementation relative aux sédiments : ............................................................................... 32
2.4.1. Réglementation au niveau international : ...................................................................... 32
2.4.2. Réglementation au niveau national : ............................................................................. 33
2.4.3. Réglementation aux USA : ............................................................................................ 35
2.4.4. Réglementation canadienne : ......................................................................................... 36
2.4.5. Réglementation allemande : .......................................................................................... 36
2.5. Voies de valorisation des sédiments dans le génie civil : ...................................................... 37
2.5.1. Valorisation des sédiments en technique routière : ....................................................... 38
3. Les matières organiques dans les sédiments : ............................................................................... 39
3.1. Définition : ............................................................................................................................ 40
3.2. Origines des matières organiques : ........................................................................................ 41
3.2.1. Origine naturelle : .......................................................................................................... 41
3.2.2. Origines anthropiques :.................................................................................................. 41
3.3. Milieu d’évolution des matières organiques :........................................................................ 43
3.3.1. Dans les réservoirs terrestres : ....................................................................................... 43
3.3.2. Dans les milieux fluviaux et marins : ............................................................................ 43
3.4. Cycles d’évolution des matières organiques : ....................................................................... 43
3.4.1. Minéralisation : .............................................................................................................. 44
8
3.4.2. Humification : ................................................................................................................ 44
3.5. Principales phases d’évolution des matières organiques : ..................................................... 45
3.5.1. Les matières organiques vivantes : ................................................................................ 45
3.5.2. Les matières organiques fraiches : ................................................................................ 46
3.5.3. Les matières organiques transitoires (labiles) : ............................................................. 46
3.5.4. Les matières organiques stables : .................................................................................. 46
4. Méthodes de caractérisation des matières organiques : ................................................................. 48
4.1. Méthodes thermiques : .......................................................................................................... 48
4.1.1. Détermination de la teneur pondérale des MO par calcination (XP P94-047) : ............ 48
4.1.2. Détermination de la perte au feu des boues et des sédiments (NF EN 15169) : ............ 49
4.1.3. Détermination de la teneur en MO par perte au feu des sols organiques : .................... 49
4.1.4. Détermination de la teneur en COT par combustion sèche (NF EN 15936) : ............... 50
4.1.5. Dosage en COT après combustion sèche (NF ISO 10694) : ......................................... 50
4.2. Méthodes chimiques : ............................................................................................................ 51
4.2.1. Méthode de détermination de la teneur en MO (NF P94-055) : .................................... 51
4.2.2. Dosage du COT dans les déchets, les boues et les sédiments (NF EN 13137) : ........... 51
4.2.3. Oxydation chimique des MO avec l’eau oxygénée (NBN 589-207-3) ......................... 52
4.2.4. Détermination qualitative de la teneur en acide fulvique (NF EN 1744-1+A1) :.......... 53
4.2.5. Dosage du carbone organique par oxydation sulfochromique (NF ISO 14235) : ......... 53
4.2.6. Méthode Walkley-Black : .............................................................................................. 54
5. Effets des matières organiques sur les propriétés des sols : .......................................................... 54
5.1. Choix des matériaux des études : .......................................................................................... 54
5.1.1. Matériaux ayant une teneur en MO naturelle : .............................................................. 55
5.1.2. Matériaux ayant une teneur en MO reconstituée : ......................................................... 55
5.2. Effet des matières organiques sur les propriétés physiques des sols : ................................... 57
5.3. Effets des matières organiques sur les performances mécaniques des sols : ......................... 59
5.3.1. Paramètres de compactage et de portance : ................................................................... 60
5.3.2. Paramètres de compressibilité : ..................................................................................... 61
5.3.3. Résistance au cisaillement : ........................................................................................... 62
6. Systèmes de classification des matériaux : .................................................................................... 64
6.1. Le système de classification aux Etats-Unis : ....................................................................... 64
6.1.1. Le système de classification AASHTO : ....................................................................... 64
6.1.2. Le système de classification USCS : ............................................................................. 65
6.2. Le système de classification Internationale (ESCS) : ............................................................ 67
6.3. Le système de classification Français selon le Guide de terrassement routier (GTR) : ........ 68
7. Conclusions du chapitre : .............................................................................................................. 70
CHAPITRE II : Démarche, Matériaux de l’Etude et Caractérisations ......... 73
1. Introduction : ................................................................................................................................. 75
2. Démarche scientifique de l’étude : ................................................................................................ 75
9
3. Pré-étude pour le choix des matériaux : ........................................................................................ 77
3.1. Méthodes d’élimination des MO : ......................................................................................... 78
3.1.1. Oxydation des MO à l’eau oxygénée : .......................................................................... 78
3.1.2. Séparation physique (Méthode du tri) : ......................................................................... 86
3.2. Méthode d’amendement organique : ..................................................................................... 88
3.2.1. Stratégie de création des mélanges : .............................................................................. 88
4. Matériaux de l’étude : .................................................................................................................... 90
4.1. Le sédiment marin : ............................................................................................................... 91
4.2. Le Compost industriel : ......................................................................................................... 92
4.3. Le déchet minéral (Argiles Silteuses Calcaires (ASCal)) : ................................................... 94
5. Caractérisation des matériaux de l’étude : ..................................................................................... 94
5.1. Caractérisation physique : ..................................................................................................... 94
5.1.1. Teneur en eau : .............................................................................................................. 95
5.1.2. Analyse granulométrique : ............................................................................................ 95
5.1.3. Masse volumique des particules solides : ...................................................................... 98
5.1.4. Détermination de la teneur en MO : .............................................................................. 99
5.1.5. Valeur au bleu de méthylène (VBS) : .......................................................................... 100
5.1.6. Limites d’Atterberg : ................................................................................................... 101
5.1.7. Surface spécifique (Méthode BET) : ........................................................................... 104
5.2. Caractérisation chimique : ................................................................................................... 105
5.2.1. Détermination du pH : ................................................................................................. 105
5.2.2. Détermination de la conductivité électrique : .............................................................. 105
5.3. Analyse minéralogique : ...................................................................................................... 106
5.3.1. Spectrométrie de fluorescence des rayons X : ............................................................. 106
5.3.2. Diffraction aux rayons X : ........................................................................................... 107
5.4. Caractérisation environnementale : ..................................................................................... 108
5.5. Comportement mécanique : ................................................................................................. 109
5.5.1. Caractérisation de compactage et de portance : ........................................................... 109
5.5.2. Compressibilité et résistance au cisaillement : ............................................................ 112
5.6. Classification des matériaux de l’étude : ............................................................................. 120
6. Conclusions du chapitre : ............................................................................................................ 122
CHAPITRE III : Méthodes de Caractérisation des MO ...................................... 125
1. Introduction : ............................................................................................................................... 127
2. Bilan des essais de caractérisation des MO : ............................................................................... 127
2.1. Quantification de la teneur en MO par méthodes thermiques : ........................................... 128
2.1.1. Détermination de la teneur pondérale des MO par calcination : ................................. 128
2.1.2. Détermination de la perte au feu des déchets, des boues et des sédiments : ............... 130
2.1.3. Détermination de la teneur en COT par combustion sèche (NF ISO 10694) : ............ 134
2.2. Quantification de la teneur en MO par méthodes chimiques : ............................................ 137
10
2.2.1. Méthode de détermination de la teneur en MO (NF P94-055) : .................................. 137
2.2.2. Détermination du COT par oxydation sulfochromique (NF ISO 14235) : .................. 139
2.2.3. Détermination de l’azote et le rapport C/N (Méthode interne LDM) : ........................ 140
2.2.4. Oxydation chimique des MO avec l’eau oxygénée (NBN 589-207-3) : ..................... 141
2.2.5. Méthode de Walkley-Black : ....................................................................................... 142
2.2.6. Détermination de la teneur en acide fulvique (NF EN 1744-1+A1) : ......................... 143
2.2.7. Détermination de la teneur en acides fulviques et acides humiques : ......................... 145
3. Synthèse générale : ...................................................................................................................... 146
4. Conclusions du chapitre : ............................................................................................................ 148
CHAPITRE IV : Influences des MO sur les Propriétés Physiques et
Mécaniques des sédiments de dragage ........................................................................... 149
1. Introduction : ............................................................................................................................... 151
2. Rappel du choix des matériaux de l’étude : ................................................................................. 151
3. Influences des MO sur les propriétés physiques : ....................................................................... 153
3.1. Analyse granulométrique (NF ISO 13320) : ....................................................................... 153
3.2. Masse volumique des particules solides : ............................................................................ 154
3.3. Surface spécifique BET : ..................................................................................................... 156
3.4. Limites d’Atterberg (NF P94-051) : .................................................................................... 157
3.4.1. Limite de liquidité : ..................................................................................................... 157
3.4.2. Limite de plasticité : .................................................................................................... 158
3.4.3. Indice de plasticité : ..................................................................................................... 159
3.5. Valeur au bleu de méthylène (NF P94-068) : ...................................................................... 160
4. Influences des MO sur les caractéristiques mécaniques : ............................................................ 162
4.1. Essais de compactage et de Portance : ................................................................................ 162
4.1.1. Effets de MO sur la densité sèche et la teneur en eau à l’optimum Proctor: ............... 164
4.1.2. Effets de MO sur l’indice de Portance Immédiat (IPI) : .............................................. 166
4.2. Essais œdométriques : ......................................................................................................... 169
4.2.1. Effets de MO sur l’indice des vides : .......................................................................... 170
4.2.2. Effets de MO sur la pression de pré-consolidation : ................................................... 171
4.2.3. Effets de MO sur l’indice de compression et l’indice de recompression : .................. 171
4.3. Résistance au cisaillement : ................................................................................................. 173
5. Conclusions du chapitre : ............................................................................................................ 177
CHAPITRE V : Approche opérationnelle de la valorisation des sédiments
dans laconstruction routière…………………………………………........................….....179
1. Introduction : ............................................................................................................................... 181
2. Impact de la teneur en eau et la teneur en MO sur la préparation des sédiments : ...................... 182
2.1. Réduire la teneur en eau des sédiments dragués : ............................................................... 183
2.1.1. Séchage à l’air libre ou lagunage en bassin : ............................................................... 183
2.1.2. Utilisation de sacs géotextiles : ................................................................................... 184
11
2.1.3. La filtration : ................................................................................................................ 184
2.1.4. Utilisation de la chaux : ............................................................................................... 185
2.1.5. Séchage thermique : .................................................................................................... 186
2.1.6. Etude technique et économique pour le choix de procédé de déshydratation : ........... 186
2.2. Réduire la teneur en MO des sédiments dragués :............................................................... 188
2.2.1. Traitement à la chaux : ................................................................................................ 188
2.2.2. Traitement au ciment : ................................................................................................. 189
2.2.3. Calcination : ................................................................................................................ 189
2.2.4. Etude technique et économique pour le choix de procédé pour éliminer les MO : ..... 190
3. Impact du taux des MO sur la classification des sédiments dans une optique de valorisation dans
la technique routière : .......................................................................................................................... 191
3.1. Les systèmes de classification américains : ......................................................................... 191
3.1.1. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’AASHTO : ....................... 191
3.1.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’ASTM D2487 : ................ 193
3.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon ESCS : ........................................ 195
4. Impact du taux des MO sur les propriétés mécaniques : ............................................................. 198
4.1.1. Impact des MO sur le compactage et la portance : ...................................................... 199
4.1.2. Impact du taux des MO sur le tassement : ................................................................... 200
4.1.3. Impact du taux des MO sur la résistance au cisaillement : .......................................... 202
5. Impact du taux des MO sur la valorisation comme PST ou couche de fondation : ..................... 204
5.1. Etude d’acceptabilité des mélanges en PST : ...................................................................... 205
5.2. Etude d’acceptabilité des mélanges en couche de fondation : ............................................. 206
6. Conclusion du chapitre: ............................................................................................................... 209
CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES ...................................................................... 211
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................................................ 216
NORMES ............................................................................................................................................ 224
ANNEXES .......................................................................................................................................... 226
COMMUNICATIONS ET PUBLICATIONS .................................................................................... 228
RÉSUMÉ ............................................................................................................................................. 230
ABSTRACT ........................................................................................................................................ 230
12
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Origine des sédiments marins ou fluviaux [7]. ..................................................................... 25
Figure 2 : Quantités de sédiments marins dragués en France en 2010 [11]. ......................................... 26
Figure 3 : Composition massique des sédiments. .................................................................................. 26
Figure 4 : Unités structurales de base des argiles [12]. ......................................................................... 27
Figure 5 : Représentation schématique du complexe argilo-humique [13]. .......................................... 28
Figure 6 : Les catégories d’eau dans le sol [14]. ................................................................................... 29
Figure 7: Différents microenvironnements au sein d'un agrégat de sol [14]. ........................................ 32
Figure 8 : Organisation réglementaire sur la gestion des sédiments [22]. ............................................. 33
Figure 9 : Mise en œuvre de la route du Freycinet 12 à base de sédiments de dragage GPMD [22]. ... 39
Figure 10 : Origines des matières organiques. ...................................................................................... 41
Figure 11: Processus d’évolution des matières organiques. .................................................................. 44
Figure 12: Principales phases d’évolution des matières organiques. .................................................... 47
Figure 13 : Schéma explicatif d’oxydation des MO. ............................................................................. 53
Figure 14 : Méthode de l'eau oxygénée. ................................................................................................ 56
Figure 15 : Courbe de compactage du sol en fonction de la quantité de MO [71]. ............................... 60
Figure 16 : L’évolution des indices de compression en fonction de la teneur en MO. ......................... 61
Figure 17 : Diagramme de plasticité pour le système de classification USCS en accord avec ASTM. 66
Figure 18 : Diagramme de plasticité pour le système de classification ESCS [98]. ............................ 67
Figure 19 : Structure générale du système de classification GTR [32]. ................................................ 68
Figure 20 : Démarche scientifique de l’étude. ....................................................................................... 77
Figure 21 : (a) Bain marie ; (b) Dispositif d'oxydation des MO............................................................ 79
Figure 22 : Oxydation des MO du sédiment avec l’eau oxygénée. ....................................................... 80
Figure 23 : Oxydation des MO du compost avec l’eau oxygénée. ........................................................ 80
Figure 24 : ATG du sédiment brut. ....................................................................................................... 81
Figure 25 : ATG du sédiment traité. ...................................................................................................... 82
Figure 26 : Analyse des diffractogrammes du sédiment brut et du sédiment traité. ............................. 84
Figure 27 : Méthode du tri. ................................................................................................................... 86
Figure 28 : Texture de sédiment avant et après le traitement. ............................................................... 87
Figure 29 : Courbes granulométriques du sédiment brut, le sédiment traité et la matière noire. .......... 87
Figure 30 : Matériaux reconstitués par méthode d'amendement organique. ......................................... 89
Figure 31 : Localisation géographique des zones dragués et immergés du GPMD. ............................ 91
Figure 32 : Centre de traitement des sédiments non immergeables – Port Ouest – GPMD. ................. 92
Figure 33 : Préparation des sédiments de l'étude. .................................................................................. 92
Figure 34 : Composition du compost. ................................................................................................... 93
Figure 35 : Préparation de compost. ...................................................................................................... 93
Figure 36 : Localisation du site de prélèvement des ASCal. ................................................................. 94
Figure 37 : Courbes granulométrique des matériaux de l’étude. ........................................................... 96
Figure 38 : Classification granulométrique des matériaux de l’étude. .................................................. 97
Figure 39 : Masse volumique des particules solides des matériaux de l’étude. .................................... 98
Figure 40 : Les valeurs de VBS pour les matériaux de l’étude. .......................................................... 101
Figure 41: Classification des matériaux de l’étude en fonction de leur valeur au bleu de méthylène. 101
Figure 42 : Les états de consistance d’un sédiment............................................................................. 101
Figure 43 : Limite de liquidité du sédiment et l’ASCal. ..................................................................... 103
Figure 44 : Phases cristallines du sédiment et l’ASCal. ...................................................................... 108
13
Figure 45 : Mode opératoire de l’essai Proctor normal. ...................................................................... 110
Figure 46 : (a) Courbes Proctor normal du sédiment et d’ASCal ; (b) Courbes d’IPI. ....................... 111
Figure 47 : (a) Courbes Proctor Modifié du sédiment et d’ASCal ; (b) Courbes d’IPI. ...................... 112
Figure 48 : Composition du consolidomètre. ...................................................................................... 113
Figure 49 : La procédure de préparation des échantillons par pré-consolidation. ............................... 114
Figure 50 : Les étapes de préparation des échantillons pour l’essai œdométrique. ............................. 115
Figure 51 : La teneur en eau utilisée pour le compactage. .................................................................. 116
Figure 52 : Courbes œdométriques du sédiment et l'ASCal. ............................................................... 117
Figure 53 : (a) Courbes de résistance au cisaillement en fonction du déplacement horizontal pour le
sédiment et l’ASCal; (b) la résistance au cisaillement en fonction de la contrainte normale pour le
sédiment et l’ASCal. ............................................................................................................................ 119
Figure 54 : Méthodes de caractérisation des MO. ............................................................................... 127
Figure 55 : Creusets calcinés de matériaux de l’étude. ....................................................................... 128
Figure 56 : Résultats des essais de détermination de la teneur en MO selon la norme XP P 94-047. 129
Figure 57 : Résultats des essais de détermination de la teneur en MO selon la norme NFEN15169. . 130
Figure 58 : ATG du sédiment brut. ..................................................................................................... 131
Figure 59 : ATG du sédiment calciné.................................................................................................. 132
Figure 60 : Evolution du taux de MO en fonction du temps selon la norme NF EN 15169. ............. 133
Figure 61 : Les valeurs de carbone organique total des matériaux étudiés selon NF ISO 10694. ...... 135
Figure 62 : Les valeurs du facteur conventionnel calculées par différents travaux de recherche. ...... 136
Figure 63 : Corrélation entre MO et COT (Méthodes thermiques). .................................................... 136
Figure 64 : (a) Oxydation du carbone organique ; (b) Dosage du carbone organique. ....................... 138
Figure 65 : Les valeurs de MO des matériaux étudiés selon la norme NF P94-055. .......................... 139
Figure 66 : Les valeurs de COT des matériaux étudiés selon NF ISO 14235 et NF ISO 10694. ........ 140
Figure 67 : Les valeurs de MO des matériaux étudiés selon la norme NBN 589-207-3. .................... 141
Figure 68 : (a) Oxydation des MO ; (b) Dosage des MO. ................................................................... 143
Figure 69 : Composition des MO stables. ........................................................................................... 144
Figure 70 : Détermination de teneur en acide fulvique des matériaux étudiés. ................................... 144
Figure 71 : Acides humiques et acides fulviques. ............................................................................... 145
Figure 72 : Synthèse des essais de caractérisation de MO. ................................................................. 146
Figure 73 : Matériaux de l'étude. ......................................................................................................... 152
Figure 74 : Mélanges du sédiment et d’ASCal. ................................................................................... 152
Figure 75 : (a) Courbes granulométrique des mélanges du sédiment ;................................................ 153
Figure 76 : Masse volumique des mélanges en fonction de la teneur en MO. .................................... 154
Figure 77 : Masse volumique absolue en fonction de la teneur en MO. ............................................. 155
Figure 78 : Valeurs de Surface spécifique (BET) des mélanges du sédiment et d’ASCal. ................. 156
Figure 79 : Limite de liquidité des matériaux (mélanges du sédiment et mélanges d’ASCal). ........... 157
Figure 80 : Limites de liquidité des échantillons de cette étude et d’autres travaux. .......................... 157
Figure 81 : Valeurs de limite de plasticité des échantillons de l’étude et d’autres travaux. ................ 158
Figure 82 : Indice de plasticité en fonction de la teneur en MO. ........................................................ 159
Figure 83 : Valeur au bleu de méthylène des mélanges. ..................................................................... 160
Figure 84 : Préparation et compactage des échantillons. ..................................................................... 162
Figure 85 : (a) Courbes de compactage (Proctor Normal) des mélanges du sédiment ; (b) Courbes de
compactage (Proctor Normal) des mélanges d’ASCal ; (a) Courbes de compactage (Proctor Modifié)
des mélanges du sédiment ; (c) Courbes de compactage (Proctor Modifié) des mélanges d’ASCal. . 163
Figure 86 : (a) La densité sèche à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la teneur en
MO pour les mélanges du sédiment ; (b) La densité sèche à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en
fonction de la teneur en MO pour les mélanges d’ASCal ; (c) La teneur en eau à l’optimum Proctor
14
(Normal et Modifié) en fonction de la teneur en MO pour les mélanges du sédiment ; (d) La teneur en
eau à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la teneur en MO pour les mélanges
d’ASCal. .............................................................................................................................................. 165
Figure 87 : Mesure de l’IPI sur un mélange d’ASCal. ........................................................................ 166
Figure 88 : (a) L’IPI à l’optimum Proctor Normal en fonction de la teneur en eau pour les mélanges du
sédiment ; (b) L’IPI à l’optimum Proctor Normal en fonction de la teneur en eau pour les mélanges
d’ASCal ; (c) L’IPI à l’optimum Proctor Modifié en fonction de la teneur en eau pour les mélanges du
sédiment ; (d) L’IPI à l’optimum Proctor Modifié en fonction de la teneur en eau pour les mélanges
d’ASCal. .............................................................................................................................................. 167
Figure 89: (a) Indice de portance immédiat à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la
teneur en MO pour les mélanges du sédiment ; (b) Indice de portance immédiat à l’optimum Proctor
(Normal et Modifié) en fonction de la teneur en MO pour les mélanges d’ASCal ............................. 168
Figure 90 : IPI (%) en fonction de ρdOPN (t/m3). ................................................................................. 168
Figure 91: (a) Courbes œdométriques pour les mélanges du sédiment ; (b) Courbes œdométriques pour
les mélanges d’ASCal. ........................................................................................................................ 169
Figure 92: Effet des MO sur l’indice des vides des mélanges du sédiment et d’ASCal. .................... 170
Figure 93: Effet des MO sur la contrainte de pré consolidation pour les mélanges du sédiment et
d’ASCal. .............................................................................................................................................. 171
Figure 94: (a) Effet de MO sur l’indice de Cc ; (b) Effet de MO sur l’indice de Cr ........................... 172
Figure 95: Etapes de préparation des mélanges................................................................................... 173
Figure 96 : (a) Courbes de cisaillement direct pour les mélanges du sédiment ; (b) Courbes de
cisaillement direct pour les mélanges d’ASCal. .................................................................................. 174
Figure 97 : (a) Contrainte de cisaillement en fonction de la contrainte normale effective pour les
mélanges du sédiment ; (b) Contrainte de cisaillement en fonction de la contrainte normale effective
pour les mélanges d’ASCal. ................................................................................................................ 175
Figure 98 : Effet de MO sur l’angle de frottement effectif. ................................................................ 176
Figure 99 : Approche opérationnelle de valorisation des sédiment de dragage. ................................. 182
Figure 100 : Séchage à l’air libre. ....................................................................................................... 183
Figure 101 : Sacs géotextiles [155]. .................................................................................................... 184
Figure 102 : La filtration [152]. ........................................................................................................... 185
Figure 103 : Effet de la chaux sur le séchage par évaporation [157]. ................................................. 186
Figure 104 : Degré de déshydratation par procédé. ............................................................................. 187
Figure 105 : Coût des différents procédés. .......................................................................................... 187
Figure 106 : Utilisation de chaux pour stabiliser le pH. ...................................................................... 188
Figure 107 : Coût des procédés de traitement des MO........................................................................ 190
Figure 108 : Diagramme de plasticité pour la classification selon le système USCS. ........................ 193
Figure 109 : Classification des mélanges selon le systeme de classification ESCS. ........................... 196
Figure 110 : Classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon le GTR [32]. ...................... 198
Figure 111 : Talus en sédiment de dragage. ........................................................................................ 201
Figure 112 : Paramètre géométrique d’un talus. ................................................................................. 203
Figure 113 : Différentes couches d'une route. ..................................................................................... 204
Figure 114 : Critère de l’IPI pour les différentes couches de chaussée [111]. .................................... 206
Figure 115 : Structure de la chaussée à base du sédiment marin. ....................................................... 207
Figure 116 : Disposition de la chaussée contenant une couche de fondation en sédiment. ................. 208
15
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Contaminants minéraux et seuils de pollution (en mg/kg de MS) [24]. ............................. 34
Tableau 2 : Contaminants organiques et autres(en mg/kg de MS) [24]. ............................................... 35
Tableau 3 : Contaminants minéraux et seuils de pollution (en mg/kg de MS) [27]. ............................. 36
Tableau 4 : Seuils de pollution des contaminants minéraux (St Laurent) (en mg/kg deMS) [28]. ....... 36
Tableau 5 : Contaminants minéraux et seuils de pollution (en mg/kg de MS) [29]. ............................. 37
Tableau 6 : Filières de valorisation des sédiments marins. ................................................................... 37
Tableau 7 : Filières de valorisation des sédiments marins. ................................................................... 38
Tableau 8 : Relation entre l’indice de compression et la teneur en MO................................................ 62
Tableau 9 : Tableau récapitulatifs de l’état de l’art concernant l’évolution de la résistance au cisaillement
en fonction de la teneur en MO. ............................................................................................................ 63
Tableau 10 : Tableau estimatif du comportement géotechnique des catégorie selon le système de
classification USCS [96]. ...................................................................................................................... 67
Tableau 11 : Valeurs du carbone minéral du sédiment brut et le sédiment traité. ................................. 83
Tableau 12 : Résultats des analyses FX sur le sédiment brut et le sédiment oxydé. ............................. 85
Tableau 13 : Résultats de calcination à 450 °C. .................................................................................... 87
Tableau 14 : Données de formulation des mélanges du sédiment. ........................................................ 89
Tableau 15 : Données de formulation des mélanges d'ASCal. .............................................................. 90
Tableau 16 : Vérification de la teneur en MO des mélanges. ................................................................ 90
Tableau 17 : Mesure de la teneur en eau des matériaux de l’étude. ...................................................... 95
Tableau 18 : Récapitulatif des granulométries des matériaux de l’étude. ............................................. 97
Tableau 19 : Masse volumique des particules solides des matériaux de l’étude. .................................. 99
Tableau 20 : Teneur en MO des matériaux de l’étude. ....................................................................... 100
Tableau 21 : Valeurs de limite de plasticité pour le sédiment et l’ASCal. .......................................... 103
Tableau 22 : Limite de plasticité du sédiment et l’ASCal. .................................................................. 104
Tableau 23 : Surface spécifique BET des matériaux de l’étude. ......................................................... 104
Tableau 24 : Valeurs du pH des matériaux de l’étude. ........................................................................ 105
Tableau 25 : Valeurs de la conductivité électrique des matériaux de l’étude. .................................... 106
Tableau 26 : Résultats de l’analyse par fluorescence X pour le sédiment et l’ASCal. ....................... 107
Tableau 27 : Valeurs limites en lixiviation niveau 1 ........................................................................... 109
Tableau 28 : Contraintes de compactage ( Proctor normal et Proctor Modifié). ................................. 117
Tableau 29 : Résultats des essais œdométriques sur le sédiment et l’ASCal. ..................................... 117
Tableau 30 : Résultats des essais œdométrique pour le sédiment de GPMD. ..................................... 118
Tableau 31 : Les valeurs de l’indice des vides, la cohésion et l’angles de frottement du sédiment et
l’ASCal. ............................................................................................................................................... 119
Tableau 32 : Tableau récapitulatif des résultats des essais de caractérisation. .................................... 120
Tableau 33 : La classification des matériaux de l'étude selon différents systèmes de classification. 121
Tableau 34 : Teneur en MO de quelques sédiments marins étudiés par d’autres travaux. .................. 129
Tableau 35 : Ecart-type entre trois essais de mesure de teneur en MO pour les essais thermiques. ... 131
Tableau 36 : Valeurs de N et rapport C/N pour les matériaux de l’étude. .......................................... 140
Tableau 37 : Les valeurs de MO des matériaux étudiés selon la méthode Walkley-Black. ................ 143
Tableau 38 : Rapport AH/COT et AF/COT pour le sédiment, l’ASCal et le compost. ...................... 145
Tableau 39 : Distribution granulométrique des mélanges du sédiment et de l’ASCal. ....................... 154
Tableau 40 : Masse volumique absolue de quelques sols. .................................................................. 155
Tableau 41 : Relation entre masse volumique absolue et la teneur en MO. ........................................ 156
16
Tableau 42 : Relation entre la limite de liquidité et la teneur en MO. ................................................ 158
Tableau 43 : Relation entre la limite de plasticité et la teneur en MO. ............................................... 159
Tableau 44 : Relation entre l’indice de plasticité et la teneur en MO. ................................................ 160
Tableau 45 : Classification de l’argile d’un sol selon VBS. ................................................................ 161
Tableau 46 : Comportement des sols selon leur indice de compression. ............................................ 172
Tableau 47 : Effet de MO sur le compressibilité des matériaux. ........................................................ 173
Tableau 48 : Caractéristiques initiales des mélanges avant la réalisation de l'essai de cisaillement. .. 174
Tableau 49 : Classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon le système de classification des
sols AASHTO...................................................................................................................................... 192
Tableau 50 : Impact des MO sur la classification et l'ouvrabilité des mélanges selon le système de
classification USCS. ............................................................................................................................ 195
Tableau 51 : Classification des mélanges étudiés selon l’USCS et l’ESCS. ....................................... 196
Tableau 52 : Classification des mélanges selon le GTR. .................................................................... 197
Tableau 53 : Paramètres physiques des mélanges du sédiment et d’ASCal. ....................................... 197
Tableau 54 : Paramètres d’état hydrique des mélanges du sédiment et d’ASCal. .............................. 199
Tableau 55: Tableau de calcul des tassements .................................................................................... 202
Tableau 56 : Equilibre des talus en fonction des valeurs théoriques du coefficient de sécurité . ........ 202
Tableau 57 : Valeurs du Fs selon le taux des MO et la configuration des talus. ................................. 203
Tableau 58: Classes de PST ................................................................................................................ 205
Tableau 59: Valeurs d'IPI pour les mélanges du sédiment .................................................................. 206
Tableau 60 : Principaux paramètres du sédiment d’Achour et celui de la présente étude. ................. 207
17
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Les problématiques environnementales telles que le réchauffement climatique poussent
les pays industriels, dans le monde en général et en Europe en particulier, à exiger une transition
vers un modèle économique circulaire permettant des actions couvrant l’ensemble du cycle de
vie des produits : de la production à la création de marchés des matières premières
«secondaires» (c’est-à-dire dérivées de déchets) [1]. La gestion des déchets est l’un des
principaux domaines dans lesquels des progrès supplémentaires sont à la fois nécessaires et
réalisables : l’augmentation de la prévention, du réemploi et du recyclage des déchets figure au
nombre des objectifs essentiels tant sur le plan d’action que sur le volet législatif relatif aux
déchets. En 2020, l’Etat et les collectivités territoriales devront réemployer ou orienter vers le
recyclage ou les autres formes de valorisation au moins 70 % des matières et déchets produits
sur les chantiers de construction ou d’entretien routiers [1].
Dans le domaine du BTP, l'augmentation de la demande de matériaux granulaires
combinée aux contraintes environnementales pour l'ouverture de nouvelles carrières impose
une meilleure gestion des ressources naturelles. Chaque année, en France, le domaine du génie
civil utilise plus de 400 millions de tonnes de matériaux dont 96 % sont d'origine naturelle [2].
Dans ce contexte, la valorisation des déchets tels que les sédiments dragués pourrait constituer
une solution alternative [2]–[12].
En France, le secteur de la construction routière est le plus grand consommateur de
matériaux granulaires, avec une consommation annuelle d'environ 200 millions de tonnes [2].
Ainsi, la valorisation des sédiments dragués dans la construction de routes pourrait constituer
une solution intéressante. Dans le domaine routier, les caractéristiques souhaitées des matériaux
varient et dépendent de la catégorie de route, de la structure de la route, du type et de la quantité
de liants utilisés.
Le sédiment dragué consiste généralement en une phase minérale, une phase organique
(sous diverses formes) et une phase liquide (eau). Il est généralement admis que la présence de
matières organiques (MO) dans les sédiments, même en petites quantités, affecte leurs
propriétés physiques et mécaniques [5], [7], [9], [10], [13]–[16]. Dans les applications routières,
selon différents guides développés par différents pays, la teneur en MO dans les matériaux est
limitée entre 2 % et 4 % pour les chaussées et entre 5 % et 7 % pour une utilisation dans les
remblais [17]. L'argument utilisé pour la limitation de la quantité de MO est généralement lié à
18
leur évolution dans le temps, ce qui était supposé augmenter la plasticité, l’indice des vides et
donc la compressibilité des matériaux. Dans ce contexte, il a été jugé important d'explorer dans
quelle mesure les teneurs en MO affectent les paramètres physiques et mécaniques et comment
ces paramètres évolueront avec l'évolution de la teneur en MO.
Pour mener à bien ce travail, il est impératif de bien caractériser et identifier, d’abord, les
MO dans les matériaux pour ensuite évaluer leurs impacts sur les propriétés physiques et
mécaniques. Comme première étape, il est important de mettre en place une méthodologie pour
sélectionner ou reconstituer des échantillons à différentes teneurs en MO. Pour les propriétés
étudiées dans ce travail, nous nous sommes focalisés sur les paramètres physiques et
mécaniques liés à l’utilisation des matériaux dans la technique routière. Enfin, les effets des
MO sur les propriétés physiques et mécaniques ont été évalués ainsi que leurs impacts sur la
classification des matériaux selon les différents systèmes de classification. Le travail de
recherche présenté dans ce manuscrit de thèse, est organisé en cinq chapitres :
Dans le chapitre I, nous avons élaboré un état de l’art relatif à la règlementation et au
mode de gestion actuel des sédiments. Dans un deuxième temps, un focus sur les méthodes de
caractérisation des MO est réalisé. Dans un troisième temps, une synthèse des travaux qui
abordent les impacts des MO sur les propriétés physiques et mécaniques des sols et quelques
travaux sur les sédiments a été présentée. Enfin, les différentes méthodologies utilisées dans la
littérature scientifique pour le choix des matériaux d’étude et les systèmes de classification des
matériaux ont été présentés.
Dans le chapitre II, nous avons abordé, dans un premier temps, la démarche scientifique
de l’étude et une pré-étude pour le choix des matériaux reconstitués. La pré-étude a permis de
dévoiler les avantages et inconvénients de chaque méthode pour le choix d’une méthode plus
adaptée à cette présente étude. Dans un second temps, une caractérisation extensive des
matériaux de l’étude a été entreprise.
Dans le chapitre III, nous avons dressé un bilan complet des essais de caractérisation des
MO : essais thermiques et chimiques sur la base des matériaux utilisés dans cette étude. Une
étude comparative a été entreprise à la suite de l’obtention des résultats des différents essais.
Dans le chapitre IV, nous avons étudié l’impact des MO sur les propriétés physiques
(distribution granulométrique, masse volumique absolue, surface spécifique, limites
d’Atterberg et la valeur au bleu de méthylène) et mécaniques (paramètres de compactage,
19
portance, compressibilité, la résistance au cisaillement) des matériaux ayant une teneur en
matières organiques allant de 0 % jusqu’à 15 %.
Dans le chapitre V, en fonction des résultats obtenus dans le chapitre III, le chapitre IV et
les informations collectées dans le chapitre I, une approche opérationnelle de valorisation des
sédiments dans la construction routière est présentée. Cette approche aborde l’impact du taux
des MO sur la classification des matériaux et l’étude de certaines variantes dans le cycle de
valorisation.
Nous terminons ce manuscrit par une conclusion générale et quelques perspectives.
20
CHAPITRE I :
Synthèse Bibliographique
1. Introduction ....................................................................................................................... 23
2. Notions sur les sédiments de dragage ............................................................................... 24
2.1. Définition : ................................................................................................................. 24
2.2. Origines et nature : .................................................................................................... 24
2.3. Composition : ............................................................................................................ 26
2.4. Réglementation relative aux sédiments : ................................................................... 32
2.5. Voies de valorisation des sédiments dans le génie civil : .......................................... 37
3. Les matières organiques dans les sédiments : ................................................................... 39
3.1. Définition : ................................................................................................................. 40
3.2. Origines des matières organiques : ............................................................................ 41
3.3. Milieu d’évolution des matières organiques : ............................................................ 43
3.4. Cycles d’évolution des matières organiques : ........................................................... 43
3.5. Principales phases d’évolution des matières organiques : ......................................... 45
4. Méthodes de caractérisation des matières organiques : .................................................... 48
4.1. Méthodes thermiques : ............................................................................................... 48
4.2. Méthodes chimiques : ................................................................................................ 51
5. Effets des matières organiques sur les propriétés des sols : .............................................. 54
5.1. Choix des matériaux des études : .............................................................................. 54
5.1.1. Matériaux ayant une teneur en MO naturelle : ................................................... 55
5.1.2. Matériaux ayant une teneur en MO reconstituée : ............................................. 55
5.2. Effet des matières organiques sur les propriétés physiques des sols : ....................... 57
5.3. Effets des matières organiques sur les performances mécaniques des sols : ............. 59
6. Systèmes de classification des matériaux : ....................................................................... 64
7. Conclusions du chapitre : .................................................................................................. 70
22
Chapitre 1
23
Chapitre 1
1. Introduction
La lutte contre la pollution et la gestion des déchets, sont depuis quelques années, une
priorité européenne et mondiale [2]. La question environnementale est placée au cœur des
débats scientifiques et a permis d’initier la valorisation des déchets dans plusieurs domaines, y
compris dans le secteur du génie civil. Ce dernier fait partie de l’un des plus grands
consommateurs de matériaux naturels. Ce qui fait de la valorisation des déchets dans ce secteur,
une véritable nécessité. Les sédiments dragués, considérés comme des déchets, représentent un
réel atout offrant plusieurs possibilités d’utilisation. Néanmoins, la présence de MO dans les
sédiments, même en petites quantités, pourrait affecter les propriétés physiques et mécaniques
des sédiments de dragage.
Ce chapitre bibliographique est consacré, d’abord, à décrire la problématique de gestion
des sédiments dragués, les différents constituants et les polluants existants dans ces matériaux.
Les réglementations en vigueur pour la gestion des sédiments seront également discutées. Dans
un deuxième volet, les MO contenues dans les sédiments seront abordées, en mettant le focus
sur leurs origines, leurs types, les méthodes de caractérisation et leurs effets connus sur quelques
propriétés physiques et mécaniques.
24
Chapitre 1
2. Notions sur les sédiments de dragage
2.1. Définition :
Selon Hardy et Assié [3], les sédiments sont des matériaux solides particulaires, qui,
véhiculés par l’eau, finissent par décanter sur le fond. Ils proviennent de l’érosion du bassin
versant, des berges, du ruissellement sur les surfaces imperméabilisées et de rejets de toute
nature, naturels ou des rejets locaux dus à l’activité humaine. Une autre définition a été proposée
par Boutin [4], en considérant les sédiments comme correspondant à des particules fines
minérales avec quelques petits éléments de roche auxquels sont mélangés des débris d’origine
végétale ou animale. Pour Beauchamp [5], les sédiments peuvent être définis comme étant des
matériaux fins issus de l’usure des continents. Ces actions d’usure sont d’ailleurs de nature
physique (fragmentation) ou chimique (lessivage) suivi d’un transport et d’un dépôt assuré par
un fluide vecteur. Enfin, dans le dictionnaire géologique, les sédiments sont définis comme
« un ensemble constitué par la réunion de particules plus ou moins grosses ou de matières
précipitées ayant, séparément, subi un certain transport » [6].
2.2. Origines et nature :
Dans le jargon géologique, on distingue deux principales origines : les sédiments
d’origine endogène ou exogène [7]. Les sédiments d’origine endogène sont les produits
autochtones du milieu. Cette production primaire engendre des débris de macrophytes (plantes
aquatiques, cadavres de microphytes et d'animaux). Les sédiments d’origine exogène sont le
produit d’un apport externe au milieu immédiatement voisin. Cet apport peut être d'origine
naturelle (érosion des sols, décomposition de la matière végétale), ou anthropique (apports de
matière en suspension, de MO, de nutriments ou de micropolluants en raison des rejets
agricoles, industriels et domestiques) qui apportent des polluants organiques (Hydrocarbures,
HAP, PCB,…), inorganiques (métaux lourds) [7] (Figure 1).
L’origine des sédiments a une forte influence sur leur nature. Selon leurs origines, on peut
distinguer : les sédiments fluviaux et les sédiments marins.
25
Chapitre 1
2.2.1. Les sédiments fluviaux :
Le réseau fluvial français comporte plus de 525 000 km de cours d’eau dont 8 500 kms
considérés comme navigables [8]. La diminution de la profondeur de navigation ou les risques
d’inondation nécessitent des opérations d’entretien [9]. Les opérations de curage sont à la
charge de l’Etat au travers les :
- Voies Navigables de France (VNF) pour les cours d’eaux navigables ;
- Ports Autonomes Fluviaux (exemple le port autonome de Paris) ;
- Etablissements publics comme la Compagnie Nationale du Rhône (CNR) ;
Selon une enquête réalisée par le service de navigation de la région Hauts-de-France, environ
6 millions de m3 de sédiments fluviaux sont dragués chaque année. La destination de ces
quantités de sédiment est en fonction de leur degré de pollution, 70 % sont mis en dépôt ou en
cordons sur les berges, 10 % sont valorisés dans le domaine public, 7 % sont épandus et le reste
aboutit à plusieurs fins (remblais, clapage, etc.) [10].
2.2.2. Les sédiments marins :
Selon les enquêtes et statistiques réalisées par le centre d’Etudes Techniques Maritimes
et Fluviales (CETMEF), la quantité de sédiments marins dragués en France en 2010 représente
un total de 18,6 millions de tonnes de matières sèches, soit une diminution de 44 % par rapport
Figure 1 : Origine des sédiments marins ou fluviaux [7].
26
Chapitre 1
à celle enregistrée en 2009 qui était de 33,56 millions de tonnes (une différence due
principalement aux travaux qui ont eu lieu en 2009 dans les grands ports maritimes du Havre
et de Marseille et non renouvelés en 2010) [11]. Les sédiments marins sont issus principalement
des 7 grands ports maritimes de France (Figure 2) notamment les ports de Dunkerque, Le
Havre, Rouen, Nantes, La Rochelle, Bordeaux et Marseille qui représentent à eux seuls
15,2 millions de tonnes de sédiments dragués soit 82 % du total dragué [11].
2.3. Composition :
La composition de la matrice sédimentaire est très hétérogène. C’est une des difficultés
majeures pour l’étude des sédiments. Les sédiments de dragage sont constitués de trois phases
(Figure 3) avec la présence de métaux lourds, polluants et micropolluants organiques :
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
Mil
lio
ns
de
ton
nes
de
ma
tièr
e s
èch
e
Figure 2 : Quantités de sédiments marins dragués en France en 2010 [11].
Figure 3 : Composition massique des sédiments.
27
Chapitre 1
2.3.1. La phase minérale :
Cette fraction est principalement formée de minéraux provenant de l’écorce terrestre et
de débris de coquilliers. Elle se compose principalement de carbonates, de silicates et d’argiles.
Ces dernières sont, en effet, responsables de multiples phénomènes physico-chimiques. Leur
structure en feuillets, leur donne la capacité de fixer de l’eau ou des microparticules. En plus,
les argiles sont constituées de molécules de silicates des calciums hydratés à morphologie
phylliteuse (en feuillets : kaolinite, illite, smectite, chlorite, …) ou fibreuse (sépiolite,
attapulgite, paligorskite, …). D’après Unikowski [12], la structure du premier groupe se
présente sous forme de feuillets composés de deux unités de base : le tétraèdre de silice et
l’octaèdre d’alumine (Figure 4).
Chaque unité de base (particule) est le plus petit empilement typique de feuillets qu’on peut
isoler en laboratoire. Elle est constituée de la superposition d’un nombre variable de ces
feuillets, leur nombre étant en fonction des forces d’interaction. Cette propriété, dénommée
hygrophylie, est à l’origine de la captation massive d’eau des argiles, avec parfois un
phénomène de gonflement relativement important. C’est pourquoi d’ailleurs nous serons
amenés à effectuer quelques essais tels que : l’essai de bleu de méthylène ou encore les limites
d’Atterberg, pour évaluer la fraction argileuse contenue dans les matériaux de notre étude.
L’association argiles-matières organiques, aussi appelée complexe argilo-humique, a la
propriété d’être fortement adsorbant, ce qui lui permet d’augmenter la capacité de fixation des
cations [13]. Ces interactions sont provoquées par le phénomène d’adsorption entre les
éléments, les ponts d’eau, et les cations de liaison, tels que l’aluminium et le fer qui ont tendance
Figure 4 : Unités structurales de base des argiles [12].
28
Chapitre 1
à se lier étroitement avec les particules de sol et les éléments organiques [13]. Ce sont ces
liaisons qui vont permettre à l’humus, chargé négativement, de s’associer aux particules
argileuses (Figure 5). L’arrangement du complexe argilo-humique est basé sur l’hypothèse
d’une présence d’un noyau argileux entouré par les composés organiques répartis en couches
selon leur nature (l’humine proche de l’argile, puis les acides humiques, puis les molécules à
caractère aliphatique tels que les acides fulviques, les polysaccharides et les protéines), qui va
donc permettre de créer des liens entre les particules minérales [13]. Les MO seront discutées
plus amplement à la fin du chapitre.
2.3.2. La phase liquide :
C’est une fraction très variable dépendant de plusieurs facteurs, tels que les conditions de
dragage et la position des dépôts. Selon son degré de liaison avec le matériau, l’eau est
disponible à différents niveaux dans cette dernière. Il convient de distinguer communément
quatre catégories (Figure 6) :
L’eau libre : est l’eau remplissant les macroporosités des sédiments. Elle est libre de
circuler et de percoler sous l’action de la pesanteur. Elle peut être éliminée par une
simple décantation [14].
L’eau capillaire : est présente dans les microporosités du milieu. Les forces inter
capillaires de l’ordre d’environ 12 atm indisposent cette eau à la gravitation par la loi
de Jurin [14]. Cependant, elle est accessible par évaporation ou par succion.
L’eau liée : est fixée à la surface des grains des sédiments par des forces
intermoléculaires. Elle comprend deux catégories : l’eau "hygroscopique" et l’eau
pelliculaire [14].
Figure 5 : Représentation schématique du complexe argilo-humique [13].
29
Chapitre 1
L’eau de constitution : ou eau chimiquement liée entre dans la composition chimique
du matériau. Cette eau n’est accessible que par des procédés thermiques poussés [14].
La teneur en eau massique dans les sédiments de dragage varie de quelques pourcents à
plusieurs dizaines de pourcent. Cette variation est liée au mode de dragage et à la nature des
sédiments.
2.3.3. Les polluants :
Dès l’émergence de filières de valorisation des matériaux tels que les sédiments, s’est
posée la problématique des contaminants en présence. A fortiori, du fait de leur nature fine, de
la présence de MO, de l’activité microbiologique, les sédiments ont tendance à emmagasiner
des substances dont certaines présentent un caractère toxique prononcé de nature organique
(HAP, PCB, TBT, …) et inorganique (éléments traces métallique : Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn, As,
Mo) [15]. Les principales propriétés physico-chimiques des sédiments qui contrôlent les
interactions entre le sédiment dragué et les contaminants sont selon Alzieu [15] :
La quantité et le type de particules fines (pélites) ;
Le pH du milieu ;
Le potentiel d’oxydoreduction ;
La quantité et la nature des ions présents ;
La composition en matière organique (spécialement les acides humiques) ;
La salinité.
L’origine de cette pollution est entre autre les retombées d’activité industrielles, pollution
atmosphérique, ordures ménagères, etc. La valorisation des sédiments pollués n’est pas le but
recherché dans cette étude, néanmoins, une bonne connaissance des différents éléments
potentiellement présents dans les sédiments est nécessaire, afin de pouvoir les mesurer et
Figure 6 : Les catégories d’eau dans le sol [14].
30
Chapitre 1
vérifier le respect des seuils exigés par les réglementations en vigueur dans les échantillons
étudiés.
2.3.3.1. Les polluants inorganiques :
Leur origine est liée à l’activité humaine de stockage des déchets industriels, déchets
urbains, les pratiques agricoles et la pollution liée aux retombées atmosphériques par
l’utilisation de combustibles fossiles. Les principaux métaux lourds qui pourraient être trouvés
dans les sédiments sont : le cadmium, le chrome, le cuivre, le plomb, le mercure, le nickel, le
sélénium, l’arsenic et d’autres éléments spécifiques. Ces polluants peuvent être fixés sur la
phase minérale et la phase organique des sédiments.
2.3.3.2. Les polluants organiques :
2.3.3.2.1. Le tributylétain (TBT) :
Plusieurs types de peintures sont utilisés afin de protéger les navires contre la fixation
d’organismes vivants sur leur coque. Ces peintures contiennent une matière active appelée le
TBT ou tributylétain (TBT). A raison de 5 μg/cm2/jour, ces matières sont dispersées du fait des
opérations de stationnement et d’entretien [15]. Dans les sédiments, les TBT font partie de la
famille des composés organostanniques et peuvent exister sous deux différentes formes
organiques dégradées : le monobutylétain (MBT) et le dibutylétain (DBT). Toutefois, le TBT
est une molécule dégradable par action photolytique ou microbiologique et est stable car sa
durée de demi-vie peut aller jusqu’à 19 ans selon des études en mésocosmes. Enfin le (TBT)
peut avoir des impacts négatifs sur la flore et la faune aquatiques lorsqu'il est présent en fortes
quantités. On citera par exemple l’influence sur la calcification de certaines huitres, les
problèmes de croissance ainsi que de reproduction des poissons [15].
2.3.3.2.2. Les polychlorobiphényles (PCB) :
Les polychlorobiphényles désignent une famille de composés organochlorés de formule
chimique C10H10−nCln et regroupant pas moins de 209 congénères (en fonction du nombre
d’atomes de chlore). Il est important de signaler que les PCB sont utilisés comme additifs dans
les peintures, les encres et possèdent les propriétés suivantes : composés semi-volatils,
hydrophobes et persistants [15]. Les PCB sont issus des rejets urbains, des décharges de
31
Chapitre 1
matériaux usagés et sa présence dans les sédiments de dragage et accentuée par la finesse et la
présence de MO [16]. Leur toxicité a été prouvée comme étant à l’origine de bon nombre
d’anomalies chez les êtres vivants : hypertrophie hépatique, effets cancérigènes, chloro-acné,
altération des fonctions reproductrices, etc [15].
2.3.3.2.3. Les hydrocarbures polyromatiques (HAP) :
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des noyaux aromatiques
associés à des atomes de carbone [15] ; [16]. Ils pourraient avoir pour origine :
La sécrétion par des organismes vivants (biosynthèse)
L’utilisation de carburants d’origine fossile tel que le pétrole et ses dérivés (essence,
gazole, etc.) ou encore le charbon ;
La pyrolyse des MO à haute température, feu de forêts, combustion des charbons et
pétroles.
2.3.4. La phase organique :
Les sédiments contiennent généralement des composés organiques d’origines naturelles
[17], [18]. Ils proviennent, soit de débris végétaux, soit de micro-organismes, ou encore de
colloïdes humiques (Figure 7). Cette phase est constituée de polymères naturels jouant un rôle
important en tant que complexant. Ils peuvent constituer entre 80 % et 90 % de la fraction
organique totale [19]. On distingue deux grands groupes de substances humiques : les acides
humiques (insolubles dans l’eau mais solubles dans les milieux alcalins), et les acides fulviques
sont solubles dans les acides et les bases [20]. Bien que la phase organique occupe seulement
entre 5 % et 20 % de la masse totale des sédiments, elle joue, néanmoins, un rôle très important,
car elle gouverne une grande partie des phénomènes d’interactions moléculaires. Les MO
régulent la mobilité et donc la biodisponibilité d’un grand nombre de contaminants, en
particulier les composés organiques non ioniques [21]. En plus de la composition complexe et
variable des sédiments, plusieurs autres paramètres tels que leur pH, leur potentiel redox, leur
salinité, leur teneur en oxygène et en sulfure, gèrent la répartition des contaminants entre les
différentes phases d’un sédiment, ainsi que leur biodisponibilité. Les MO seront discutées plus
amplement à la fin du chapitre I.
32
Chapitre 1
2.4. Réglementation relative aux sédiments :
Quel que soit le degré de pollution des sédiments, ces derniers sont considérés comme
étant des déchets selon le décret no 2002-540 du 18 avril 2002 (Figure 8 [22]). Les règles mises
en place visent en général la prévention et la protection de l’environnement marin des
opérations de dragage et d’immersion.
2.4.1. Réglementation au niveau international :
La convention OSPAR : signifiant littéralement Oslo-PARis, est la « convention pour
la protection du milieu marin de l’Atlantique nord-est » apparue en 1992. Elle est issue de la
fusion de la convention d’Oslo de 1972 traitant de la pollution d’origine marine par les
opérations d’immersion, et de la convention de Paris, traitant de la pollution d’origine terrestre.
Cette convention fixe des lignes directrices sur la prévention et la suppression de la pollution
provenant de sources telluriques mais ne définit pas de seuil de tolérance. Aussi, cette
convention fixe la prévention et la suppression de la pollution pour les opérations d’immersion
et d’incinération en mer dont l’immersion peut être autorisée. Enfin, OSPAR a publié en 2009
un guide sur la gestion des sédiments de dragage, qui définit notamment des critères pour le
choix des sites d’immersion. Les dispositions de la convention OSPAR permettent de mettre en
place des mesures de prévention et de recherche pour une meilleure gestion des déchets avec
l’établissement d’une surveillance permanente du milieu marin. Elle vise en outre à déterminer
pour les éléments métalliques et les substances les plus toxiques, les valeurs et les seuils guides
permettant de caractériser les sédiments qui méritent une attention particulière [23].
Figure 7: Différents microenvironnements au sein d'un agrégat de sol [14].
33
Chapitre 1
Le protocole de Londres (1996) : version actualisée de la convention de Londres sur
la prévention de la pollution des mers résultant de l’immersion de déchets, mentionne les «
déblais de dragages » [23].
La convention de Barcelone (1995) : adoptée le 16 février 1976 amendée en 1995. Ce
texte reprend la même catégorie qu’OSPAR : « matériaux de dragage », cette convention vise
à protéger l’environnement marin et côtier de la Méditerranée tout en encourageant les plans
régionaux et nationaux à contribuer au développement durable [23].
Ces trois instruments juridiques organisent les immersions selon un principe général commun
d’interdiction d’immersion de toutes substances. Des catégories d’exception sont énumérées
(système de liste inversée), selon lesquelles l’immersion est subordonnée à l’obtention d’une
autorisation matérialisée, un permis délivré par une autorité nationale compétente. Cette
dernière est désignée par l’Etat. Le texte pionner est celui de la convention OSPAR, les deux
autres s’en inspirent.
2.4.2. Réglementation au niveau national :
Les articles L. 214-1 à 6 du Code de l’environnement soumettant les opérations de
dragage sous régime de déclaration ou autorisation du préfet.
La circulaire 2000-62 du 14 Juin 2000 relative aux conditions d’utilisation du référentiel
de qualité des sédiments marins, les normes de caractérisation applicables.
Figure 8 : Organisation réglementaire sur la gestion des sédiments [22].
34
Chapitre 1
L’arrêté du 9 Août 2006 fixe les niveaux de référence à prendre en compte lors d’une
analyse des sédiments marins ou estuariens présents en milieu naturel ou portuaire.
Il définit les seuils N1 et N2 de référence pour huit métaux lourds et sept congénères de PCB.
- Modification par l’arrêté ministériel du 23 Décembre 2009 : fixant les seuils
du TBT.
- Modification par l’arrêté ministériel du 17 Juillet 2014 : fixant les seuils de 16
types de HAP [24].
L’arrêté du 28 Octobre 2010 consolidé par l’arrêté du 27 Juin 2014 (Figure 8) : est relatif
aux installations de stockage de déchets inertes ; Selon le même arrêté, un déchet inerte est un
déchet qui ne subit aucune modification physique, chimique ou biologique importante.
Parallèlement aux tests de lixiviation, le présent arrêté définit des valeurs de seuils des
contaminants minéraux et organiques au-delà desquels, le déchet ne peut être considéré comme
inerte. Cet arrêté définit les seuils à respecter pour les paramètres physiques (pH, température,
etc.), en contenu total (COT, BTEX, etc.) et sur le lixiviat (métaux, chlorures, indices phenols,
etc). Rappelons qu’il existe également l’arrêté du 9 Septembre 1997 modifié par l’arrêté du 12
Mars 2012 fixant les seuils de stockage de déchets non dangereux ainsi que l’arrêté du 30
Décembre 2002 modifié par l’arrêté du 10 Octobre 2012 définissant les seuils de stockage des
déchets dangereux [24].
Tableau 1 : Contaminants minéraux et seuils de pollution (en mg/kg de MS) [24].
Le protocole H14 : Il s’agit d’un protocole d’indexation de la dangerosité des sédiments
marins comme continentaux. Il est applicable aux matériaux dépassant le seuil S1 (Arrêté du
9 Août 2006), pour au moins un contaminant dangereux. Elle se base sur la mise en place d’une
batterie de tests ecotoxicologiques. Il permet également de ne pas donner un attribut dangereux
à des matériaux dépassant le seuil N1(Geode), c’est à dire immergeables [24].
Réglementation As Ba Cd Cr Cu Mo Ni Pb Sb Se Zn Hg
Arr. 28 octobre
2010 0,5 20 0,04 0,5 2 0,5 0,4 0,5 0,06 0,1 4 0,01
14 juin 2000
(GEODE)
N1 25 1,2 90 45 37 100 276 0,4
N2 50 2,4 180 90 74 200 552 0,8
35
Chapitre 1
Tableau 2 : Contaminants organiques et autres(en mg/kg de MS) [24].
2.4.3. Réglementation aux USA :
Aux Etats-Unis d’Amérique, chaque Etat a sa propre règlementation, par exemple dans
l’État du Maryland, c’est le Maryland Department of the Environnement (MDE) qui décide.
Dans l’État du New Jersey, c’est le « New Jersey Department of Environnemental Protection
(NJDEP) » qui décide suivant différents textes de loi tel que : « Waterfront Development Law,
Rules on Coastal Zone Managment,Water Pollution Control Act [25], [26] ». Généralement, les
tests sur les sédiments se font avant même que les sédiments ne soient dragués et
l’échantillonnage est réglementé. Le rejet en mer des sédiments dragués est régulé par le
« US Army Corp of Engineers (USACE) » et le « US Environnemental Protection Agency
(USEPA) [24] ». Les matières draguées peuvent être utilisées pour l’alimentation en sable des
plages ou au placement dans les terres immergées selon l’article 404 de la Loi sur
l’assainissement de l’eau (CWA). Même si les matériaux de dragage sont réglementés dans la
catégorie des déchets solides dans certains États, il existe des exceptions à cette classification
en fonction des résultats des tests de caractérisation et des utilisations finales. Plusieurs voies
de valorisation sont alors préconisées [27].
- Remblaiement des plages lorsque Dmax (63μm) ≤ 75 % ;
- Habitations et outils de protection marines, îles artificielles;
- Matériaux de remplissage structurel ou non ;
- Usage sur des terres agricoles, etc.
Arr. 28 Octobre 2010
Chlorure 800
Fluorure 10
Mercure 0,01
Sulfate 1 000
Indice phénols 1
COT (Eluat) 500
FS 4 000
COT 30 000
BTEX 6
PCB 1
Hydrocarbures 500
HAP 50
36
Chapitre 1
Le Tableau 3 montre un extrait de seuils de certains éléments pour l’état du Wisconsin. Une
déclaration-autorisation est nécessaire une fois ces seuils dépassés :
Tableau 3 : Contaminants minéraux et seuils de pollution (en mg/kg de MS) [27].
2.4.4. Réglementation canadienne :
Trois seuils régissent la gestion des sédiments au Canada. En effet, les seuils N1, N2 et N3
correspondent respectivement aux seuil sans effets, effets mineurs, effets néfastes (Tableau 4).
Pour des seuils inférieurs au niveau N2, les sédiments sont potentiellement utilisables dans des
ouvrages moyennant dans certains cas une étude complémentaire. Pour des seuils compris en
N2 et N3, ils peuvent alors être destinés à des sites pollués [28].
Tableau 4 : Seuils de pollution des contaminants minéraux (St Laurent) (en mg/kg de MS) [28].
2.4.5. Réglementation allemande :
Les risques d’inondation comme la gestion des sédiments concernent globalement la
sécurité nationale en Allemagne et aux Pays-Bas, afin de stopper et réduire l’érosion, mais aussi
la protection des îles germaniques de la Frise et de North Frisian en constituant une barrière
naturelle contre les inondations. La gestion des sédiments et des boues de dragage est régie par
le décret sur la qualité du sol du 18 avril 2013. Celle-ci met en acte le « Environmental
Protection Act » et le « Soil Protection Act » instaurant la nécessité de permis dans certains cas.
Elle définit trois seuils limités par rapport au devenir des volumes à éliminer : l’élimination en
mer ou la réutilisation en mer [29].
Hg Cd Pb Cr Cu Zn Ni Toluène Fluorène Cyanides
Chlorure 14 1 400 600 1500 250 1000 2300 1100
Hg Cd Pb Cr Cu Zn Ni
N1 0,05 0,2 23 55 28 100 35
N2 0,2 0,9 42 55 28 150 35
N3 1 3 170 100 86 540 61
37
Chapitre 1
Le Tableau 5 montre des valeurs seuils en vue d’une valorisation de type industriel :
Tableau 5 : Contaminants minéraux et seuils de pollution (en mg/kg de MS) [29].
2.5. Voies de valorisation des sédiments dans le génie civil :
Les quantités importantes de sédiments générées chaque année doivent être gérées dans
des conditions respectueuses de l’environnement. Cette filière d’élimination est favorisée par
la loi française pour que seuls les déchets ultimes soient conservés en installation de stockage.
Actuellement, la quasi-totalité des matériaux de dragage est immergée en mer.
Le choix d’une filière de valorisation dépend de plusieurs critères comme les
caractéristiques intrinsèques du sédiment (degré de contamination, valeur agronomique etc.),
l’impact sur l’environnement, le coût, la réglementation en vigueur, l’acceptabilité sociétale.
Plusieurs voies de valorisation peuvent être envisagées (Tableau 6 et Tableau 7) :
Tableau 6 : Filières de valorisation des sédiments marins.
Hg Cd Pb Cr Cu Zn Ni Ti Co PCB
Seuils 4,8 4,3 530 180 190 40 100 900 190 40
Filière Conditions Réglementation
applicable Référentiel
Valorisation en
technique
routière
Sédiment inerte
ou non
dangereux
- Guide de Terrassement Routiers.
- Guide acceptabilité de matériaux
alternatifs en techniques routière.
- Evaluation environnementale.
- Guide technique CFTR
traitement des sols à la chaux et
/ou liants aux liants hydrauliques-
Application à la réaction des
assises de chaussées.
Valorisation en
aménagement
paysager
Sédiment inerte
ou étude
spécifique selon
EN 12920+A1
- Arrêté du 28 octobre
2010 relatif aux
installations de stockage
de déchets inertes.
Valorisation en
renforcement
des berges
Sédiment inerte
ou acceptable en
immersion
- Code de
l’environnement pour le
rejet dans les eaux de
surface (article 214-1).
- Arrêté du 28 octobre 2010 relatif
aux installations de stockage de
déchets inertes.
- Arrêté du 9 août 2006 dit arrêté
«Geode».
Remblaiement
de carrière Sédiment inerte
- Arrêté du 22
septembre 1994 relatif
aux exploitations de
carrières (article 12.3).
- Arrêté du 28octobre 2010 relatif
aux installations de stockage de
déchet inertes.
38
Chapitre 1
Tableau 7 : Filières de valorisation des sédiments marins.
L’objectif de notre travail est d’étudier les impacts des MO sur les propriétés physiques
et le comportement mécanique des sédiments de dragage en vue d’une valorisation en technique
routière.
2.5.1. Valorisation des sédiments en technique routière :
En France, environ 400 millions de tonnes de granulats sont consommées annuellement
par l’industrie routière, et environ 70 millions de tonnes de déchets et sous-produits sont
valorisés en techniques routières [30]. 71 % sont des déchets des travaux publics,
principalement issus de la route. Les 29 % restants sont des déchets du bâtiment, environ
10 millions de tonnes [31]. Dans ce contexte, la valorisation des sédiments en technique routière
représente, par conséquent, une opportunité intéressante d’un point de vue économique et
technique.
En plus d’une consommation importante, le domaine routier permet d’exploiter des
matériaux de nature très variée et répondant à des caractéristiques mécaniques peu élevées, de
quelques MPa, en fonction de la position du matériau dans la structure routière. L’utilisation
des quantités importantes de sédiments générés chaque année en travaux publics est une
solution intéressante pour contribuer à la gestion durable des sédiments (éviter la mise en dépôt)
et à la préservation des ressources naturelles. Sachant que les sédiments sont considérés comme
des déchets, pour l’utilisation en génie civil, on doit s’assurer qu’ils ne présentent pas de risques
pour la santé humaine et pour l’environnement. Une étude des caractérisations
Filière Conditions Réglementation
applicable Référentiel
Couverture
d’installation de
stockage de
déchets
Sédiment inerte
ou non
dangereux selon
type
d’utilisation
-Arrêté du 9 septembre
1997 relatif au stockage
de déchets «non
dangereux ».
-Arrêté du 28 octobre 2010 relatif
aux installations de stockage de
déchet inertes.
Travaux
maritimes
Sédiment inerte
ou étude
spécifique selon
EN 12920+A1
-Arrêté du 28 octobre 2010 relatif
aux installations de stockage de
déchet inertes.
Produits de
construction
Sédiment inerte
ou étude
spécifique selon
EN 12920+A1
-Arrêté du 28 octobre 2010 relatif
aux installations de stockage de
déchet inertes.
39
Chapitre 1
environnementales, géotechniques et mécaniques des sédiments est indispensable pour une
utilisation en technique routière.
D’après le GTR [32], la présence de MO au-delà d’un certain taux dans les sédiments de
dragage leur confèrent des résistances mécaniques insuffisantes pour un emploi direct en
couche de chaussée. En effet, la teneur en MO des matériaux utilisés en couche de chaussée ne
doit pas dépasser 3 % et pour les matériaux de remblai, entre 5 % et 7 %. L'argument utilisé
pour la limitation de teneur en MO est généralement lié d’une part à l'évolution des MO dans
le temps et d’autre part, à l’augmentation de l’indice des vides qui génère par la suite une
compressibilité plus importante du matériau. Dans ce contexte, comme première étape de
valorisation des sédiments dragués dans le domaine routier, il a été jugé important d'explorer
dans quelle mesure les MO influencent les paramètres physiques et les caractéristiques
mécaniques des sédiments de dragage.
Plusieurs études ont montré la faisabilité de valorisation des sédiments marins ou fluviaux
en technique routière. L’IMT Lille Douai a abouti à travers des recherches, à la réalisation d’une
route expérimentale à base de sédiments marins en 2005, pour valider l’étude menée au
laboratoire, et pour vérifier la faisabilité de sa mise en place sur chantier, et ainsi suivre
l’évolution de la structure pendant une année aux niveaux mécaniques et environnementales
[33]. En 2013 une réelle route de 550 mètres à base de sédiments marins a été réalisée au port
de Dunkerque dans le cadre de la thèse d’Achour [22] (Figure 9).
3. Les matières organiques dans les sédiments :
Les sédiments sont parmi les réservoirs de MO les plus importants en termes de stock et
parmi les plus dynamiques : le cycle s'y effectue à l’échelle de temps humaine (>100 ans) [34].
Figure 9 : Mise en œuvre de la route du Freycinet 12 à base de sédiments de dragage au GPMD [22].
40
Chapitre 1
Les sédiments se trouvent dans un milieu inondé, peu riche en oxygène, à l'intérieur duquel les
MO peuvent provenir de deux sources :
- Les microorganismes aquatiques riches en azote : planctons, méiofaunes, bactéries, qui
synthétisent 50 Gt par an de carbone organique [35] ;
- Des restes de plantes vasculaires apportés par les rivières vers le milieu marin.
Bien que les MO occupent seulement entre 5 % et 15 % de la masse totale des sédiments
elles jouent, néanmoins, un rôle très important, car elles gouvernent une grande partie des
phénomènes d’interactions moléculaires. Elles régulent la mobilité et donc la biodisponibilité
d’un grand nombre de contaminants, en particulier les composés organiques non ioniques [21].
En plus de la composition complexe et variable des sédiments, plusieurs autres paramètres tels
que leur pH, leur potentiel redox, leur salinité, leur teneur en oxygène et en sulfure, gèrent la
répartition des contaminants entre les différentes phases d’un sédiment, ainsi que leur
biodisponibilité.
3.1. Définition :
Les MO sont une composante omniprésente dans les réservoirs terrestres (sols,
sédiments) [36] et aquatiques (eaux de surface et eaux souterraines) [37] ; [38]. Elles regroupent
l’ensemble des constituants organiques morts ou vivants, d’origine végétales, animales ou
microbiennes, transformés ou non et d’autres éléments anthropiques souvent très toxiques
solubles ou adsorbés sur les matières en suspension (les HAP : hydrocarbures polycycliques
aromatiques, pesticides, solvants chlorés, PCB) [39]. Les MO sont constituées d’un grand
nombre d’espèces chimiques qui peuvent être de tailles, de compositions chimiques, et de
formes physiques complexes et variées [40]. La complexité des composants, l’origine et
l’environnement par lesquels se caractérisent les MO, soulignent les multiples possibilités de
cette matrice organique à réagir, ainsi que les nombreux mécanismes la régissant [41] ; [42].
Cependant, toutes les MO sont composées essentiellement de carbone, d’hydrogène,
d’oxygène, d’azote, de soufre et de phosphore issus principalement de résidus végétaux et
animaux et de l’activité métabolique des micro-organismes.
41
Chapitre 1
3.2. Origines des matières organiques :
Le globe terrestre regroupe différents types de MO qui peuvent avoir différentes origines.
On distingue deux origines : naturelle ou anthropique (Figure 10).
3.2.1. Origine naturelle :
Les MO d’origine naturelle sont appelées « Matières organiques fraîches ». Elles sont
principalement d’origine végétale (débris végétaux), mais dérivent également de la biomasse
bactérienne [43]. Elles sont composées de substances plus ou moins complexes, résistantes à la
dégradation bactérienne. Les sucres représentent les principaux composés de MO fraîches, avec
la cellulose qui est le biopolymère le plus abondant, les protéines, les lignines et les cires [43];
[13].
La composition et les propriétés des composants des végétaux sont les principaux facteurs
qui influencent la constitution de MO dans les sols et les procédés d’humification dans les
écosystèmes terrestres [44] ; [45]. Les feuilles et les aiguilles de résineux qui tombent, les
branches mortes, les écorces et les fruits contribuent aux apports de MO fraîches à la surface
du sol. En sous-sol, les apports de MO sont importants. Les racines en forment la fraction la
plus importante. Cet apport se fait de deux façons, soit par largage de MO par des racines
vivantes, soit par les débris de racines mortes [46].
3.2.2. Origines anthropiques :
Les composés anthropiques des MO proviennent principalement de trois ensembles
d’activités humaine : activités industrielles, activités agricoles et activités urbaines [47].
Figure 10 : Origines des matières organiques.
42
Chapitre 1
3.2.2.1. Origine industrielle :
Ces composés constitués des espèces aminées (industries des poudres et explosifs), mais
aussi des hydrocarbures (aliphatiques ou aromatiques mono ou polycycliques, halogénés ou
non). Par ailleurs, les hydrocarbures représentent une toxicité importante : elles regroupent les
fuites des cuves de stockage, les huiles de vidange et les résidus des usines de traitement de
produits pétroliers. En plus de ces substances industrielles, l’industrie produit des
polychlorobiphényles (PCB), un produit utilisé dans la fabrication des encres d’imprimerie et
les peintures, ainsi que comme isolants dans les transformateurs électriques. On peut trouver
d’autres produits issus principalement du dégraissage de pièces métalliques, de la fabrication
d’adhésifs et du nettoyage de vêtements tels que les Composés Organiques Volatils (COV).
3.2.2.2. Origine agricole :
Ce sont des composés issus de l’activité agricole : environ 500 matières chimiques
actives [48]. Parmi eux, les pesticides, les HAP, et les PCB. Une étude effectuée par Barriuso
et al. [47], montre que, pour la France, les volumes annuels de pesticides utilisés sont les plus
élevés (70 000 tonnes), suivis par les HAP (5 000 à 20 000 tonnes) et les PCB (<40 tonnes).
Cependant, malgré des flux importants, il semble que les stocks de pesticides dans les sols
soient relativement faibles par rapport aux composés organochlorés connus pour leur
persistance dans l’environnement [49]. Les textes de loi actuels requièrent des produits
phytosanitaires biodégradables, contrairement aux produits antérieurs, très persistants [48] ;
[50].
3.2.2.3. Origine urbaine :
Les activités urbaines produisent de plus en plus de produits polluants, parmi ces activités,
on trouve le traitement des déchets et les transports. Le traitement des déchets et des eaux usées
est polluant, avec en particulier la production de lixiviats de décharges, de boues de stations
d’épuration, ou de composés issus de l’incinération de déchets urbains [51]. En effet, de
manière non exhaustive, les déchets peuvent être mis en décharge, compostés ou incinérés. De
plus, le traitement des eaux induit la production de boues possédant un vaste spectre de
composés (hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques, organochlorés, détergents [51]. Ces
boues peuvent être compostées, épandues après stabilisation, ou incinérées. L’utilisation des
composts par l’agriculture, ainsi que l’épandage des boues sur des terrains comporte un risque
43
Chapitre 1
limité de transfert de pollution vers les sols agricoles. Par ailleurs, l’incinération des boues mais
surtout des déchets ménagers peut générer des dioxines [52]. Les transports sont responsables
d’une pollution : sous forme particulaire, avec des polluants adsorbés sur des particules, sous
forme gazeuse, avec des COV de type hydrocarbures aromatiques (BTEX) [47]. Les transports
sont également à l’origine de PCDD, de PCDF, de PCB et d’HAP. Les PCDD et les PCDF sont,
en particulier, émis par les carburants plombés et contenant des halogènes [53].
3.3. Milieu d’évolution des matières organiques :
3.3.1. Dans les réservoirs terrestres :
Les MO dans les réservoirs terrestres sont principalement issues de plantes vasculaires,
ce qui renvoie à identifier des signatures isotopiques de la composition et des composés
caractéristiques des végétaux supérieurs aériens. Les plantes vasculaires terrestres contiennent
des teneurs élevées en macromolécules pauvres en azote et relativement réfractaires à la
dégradation microbienne [54]. Ces MO varient en taille et en composition, depuis les débris
dérivés de plantes jusqu’aux molécules adsorbées sur les limons et les argiles arrachés aux sols
[55] ; [56].
3.3.2. Dans les milieux fluviaux et marins :
Les sédiments (fluviaux et marins) représentent le réservoir de MO (fluviatiles et
marines). Les MO parviennent à l’interface eau-sédiment majoritairement sous forme
particulaire, elles subissent des processus de décomposition et enfin seront détruites par
oxydation dans la tranche bio turbé. Les MO marines sont alimentées par le matériel organique
transporté par les fleuves, ce matériel organique est un mélange hétérogène et complexe de
particules dont les caractéristiques chimiques et l’origine des sources sont différentes,
comprenant du phytoplancton d’eau douce, des débris végétaux, des fragments de bois, et des
sols [57] ; [58]. La composition du matériel transporté change également avec les saisons,
suivant les années et le type de bassin versant [59].
3.4. Cycles d’évolution des matières organiques :
Les MO évoluent suivant deux processus : la minéralisation et l’humification
(Figure 11) :
44
Chapitre 1
3.4.1. Minéralisation :
On distingue deux types de minéralisation : une minéralisation primaire et une
minéralisation secondaire. En premier temps, la MO fraiche est découpée en petits morceaux et
mélangée à la fraction minérale par la faune du sol. Ensuite, la biomasse microbienne va
transformer la MO fraiche en dioxyde de carbone (CO2), en eau et en éléments nutritifs : c’est
la minéralisation primaire. Cette minéralisation fournit des quantités de nutriments très
variables selon la nature et la quantité de MO apportée au sol (résidus de culture, litière des
arbres et des arbustes, amendements et engrais organiques). La minéralisation secondaire
correspond à la dégradation de l’humus. Cette minéralisation lente fournit une quantité
d’éléments nutritifs régulière et assez indépendante des apports récents. Elle ne dépend que de
l’activité de la biomasse microbienne. La minéralisation secondaire correspond à une perte de
l’humus (Figure 11) [60].
3.4.2. Humification :
La formation des produits stables « formation de l’humus, ou humification », consiste en
des recombinaisons et polymérisations de molécules organiques plus ou moins complexes. La
composition biochimique des MO joue un rôle important dans la détermination du processus
d’humification (Figure 11). Une des principales étapes de ce processus est l’incorporation
d’azote (N) dans les macromolécules humiques, menant à un stockage de l’azote sous forme
organique dans le sol. La qualité des humus dépendra des conditions physico-chimiques comme
Le pH et la teneur en oxygène [60].
Figure 11: Processus d’évolution des matières organiques.
45
Chapitre 1
3.5. Principales phases d’évolution des matières organiques :
Parmi les constituants les plus réactifs des sols, la matière organique présente une triple
particularité en raison à la fois de sa forte affinité pour les éléments traces métalliques, de son
caractère labile et de sa multiplicité de formes : à la fois sous forme solide, soluble ou encore
de MO vivantes. C’est pourquoi on parle plutôt des MO des sols.
3.5.1. Les matières organiques vivantes :
Les MO vivantes représentent la totalité de la biomasse en activité (racines, vers de terre,
microflore du sol), animale, végétale, fongique et microbienne. Elles englobent :
La biomasse microbienne :
Elle est constituée de champignons, de bactéries et d’algues. Les champignons
interviennent dans la dégradation des débris végétaux. Les mycorhizes (champignons associés
aux plantes) ont un rôle essentiel dans la nutrition des plantes. Leur pouvoir d’absorption de
nutriments est supérieur à celui des cultures pour certains éléments (phosphore, azote). Les
bactéries participent aux processus de transformation des MO (minéralisation et humification).
Elles sont indispensables aux cycles du carbone et de l’azote du sol (bactéries fixatrices
d’azote). Les algues accélèrent la dégradation de la roche-mère.
La faune du sol :
La faune du sol regroupe les animaux vivants sur et dans le sol : fourmis, termites, vers
de terre, iules, scolopendres, nématodes, ... A eux seuls, les vers de terre représentent plus de la
moitié de la biomasse animale (500 kg à 5 t/ha) [61]. L’activité de la faune du sol permet :
La fragmentation des MO fraîches : dégradation accélérée des débris végétaux ;
Un labour biologique : mélange des MO avec la terre, création de porosité, formation
d’agrégats stables (structure grumeleuse) [61].
La biomasse végétale :
Dans le sol, la biomasse végétale est constituée par les racines. La production de ces
dernières contribue à l’apport de MO au sol. Pour exemple, la canne à sucre produit chaque
année 7 t/ha de matière sèche de racines. Les exsudats racinaires peuvent représenter eux
jusqu’à plusieurs dizaines de tonnes par hectare. De compositions variées (sucres, acides
46
Chapitre 1
aminés, acides organiques, vitamines, hormones, enzymes,…), ils constituent la nourriture des
micro-organismes vivants autour des racines, micro-organismes ensuite impliqués dans divers
mécanismes comme la nutrition des plantes et la protection des racines contre les agents
pathogènes [61].
3.5.2. Les matières organiques fraiches :
Les MO fraiches regroupent la litière (débris végétaux à la surface du sol) mais aussi, les
racines mortes, les exsudats racinaires, les déjections et les cadavres d’animaux. Les MO
fraîches vont servir de support et d’aliments à la faune et à la biomasse microbienne. Les résidus
végétaux constituent la première source de MO des sols [61] (Figure 12).
3.5.3. Les matières organiques transitoires (labiles) :
Elles résultent de la décomposition des MO fraîches. La majeure partie des nutriments
issus de la minéralisation des MO provient de cette fraction (Figure 12).
3.5.4. Les matières organiques stables :
L’humus provient de l’assemblage de certains produits transitoires et de matières
minérales en de nouvelles molécules de plus en plus complexes. L’humus est en fait un mélange
de trois composants : acides fulviques, acides humiques et humines.
L’humus est un composé organique stable, il représente 60 % de matières présentes dans
les déchets sédimentaires. Selon son pH, on distingue trois fractions dans les substances
humiques :
Les acides humiques (AH) : ce sont des gros édifices moléculaires de substances
humiques insolubles dans l’eau à pH acide (pH < 2). Ils sont solubles dans l’eau à pH basique
(pH ≥ 13). Les acides humiques qui sont des macromolécules de poids moléculaires élevés
(> 200 000 Da) représentent la fraction difficilement biodégradable des substances humiques
totales [62]. Cette fraction constitue la majeure partie des MO [63]. Ils peuvent constituer entre
80 % et 90 % de la fraction organique totale [19]. Selon l’état de stabilisation des MO, on trouve
deux types d’acides humiques :
47
Chapitre 1
Acides humiques bruns : Sont peu colorés, à molécule de taille moyenne et peu
condensés. Ils se lient difficilement avec l’argile pour former des complexes argilo-
humiques peu stables et floculent lentement par le calcium à concentration élevée
[64].
Acides humiques gris : Sont très foncés, à grosse molécule, très condensés et
forment avec l’argile un complexe argilo-humique très stable. Ils floculent aisément
par le calcium à faible concentration [64].
Les acides fulviques (AF) : qui sont des macromolécules moins évoluées que les acides
humiques et de faible dimension. Ils représentent la fraction des substances humiques solubles
dans l’eau à tout pH. Ils représentent la fraction des MO moyennement biodégradable [62]. La
production d’acides fulviques dans un milieu organique stabilisé peut demeurer considérable,
mais en général, ils évoluent rapidement soit par condensation pour donner naissance aux gros
édifices humiques, soit par liaison aux acides humiques déjà formé[64], ce qui donne un indice
du degré d’évolution de MO, soit par biodégradation rapide.
La fraction non humifiée (FNH) ou humine : qui est formée de petites molécules qui
possèdent des structures moléculaires identifiées, à l’inverse des acides humiques et fulviques.
Ses différents constituants sont des sucres, des lipides et des acides aminés. Elle représente la
fraction des MO la plus réactive (à l’exception des lipides saturés et des sucres synthétisés par
Figure 12: Principales phases d’évolution des matières organiques.
48
Chapitre 1
les micro-organismes du sol pour leur métabolisme) [62]. L’humine représente 50 % à 70 %
des MO totales. Elle se devise en :
Humine héritée : Proche des MO fraiches, elle est constituée de lignine
peu transformée incorporée au sol par action mécanique et réalise avec l’argile
que des liaisons peu stables.
Humine d’insolubilisation : provient de la précipitation irréversible de
précurseurs solubles. Elle réalise avec l’argile des liaisons stables.
Humine microbienne : résulte d’une néoformation par les micro-
organismes du sol dans les milieux biologiquement actifs. Elle forme avec
l’argile des complexes stables mais labiles qui se détruisent par biodégradation
de l’humus.
4. Méthodes de caractérisation des matières organiques :
Un bilan des essais normalisés et d’autres méthodes appliquées pour identifier les MO a
été dressé sur les approches thermico-chimiques de caractérisation. Ainsi, les MO ont été
étudiées du point de vue de leur biodégradabilité et de leur composition moléculaire. Dans cette
partie, nous présentons les principales normes (françaises, belges, européennes, américaines et
quelques méthodes particulières) couramment utilisées pour caractériser les MO dans les sols,
les boues, les déchets ou les sédiments :
4.1. Méthodes thermiques :
4.1.1. Détermination de la teneur pondérale des MO par calcination (XP P94-047) :
La méthode la plus couramment utilisée est la calcination des matériaux selon la norme
XP P 94-047. Cette norme s’applique à la détermination de la teneur massique en MO de la
fraction granulométrique inférieure ou égale à 2 mm d’un échantillon de sol ou d’un matériau.
Dans un échantillon de sol préalablement broyé, séché à faible température et calciné à haute
température (450 °C) pendant 3 h : les MO sont détruites et dégagées sous forme de gaz
carbonique (CO2) et de vapeur d'eau. Après combustion, il ne reste que la fraction minérale du
sol dans le récipient. La teneur en MO est calculée selon l’équation ci-dessous :
49
Chapitre 1
𝐂𝐌𝐎𝐂 =𝟏
𝐧∑
(𝐦𝟏 −𝐦𝟐 )
(𝐦𝟏 −𝐦𝟎 ) Équation 1
Avec : n: nombre de creusets
m0 : masse creuset vide
m1 : masse creuset + échantillon avant calcination
m2 : masse creuset + échantillon calcinés
4.1.2. Détermination de la perte au feu des déchets, des boues et des sédiments (NF EN 15169) :
La norme NF EN 15169 spécifie une méthode de détermination de la perte au feu. Le
mode opératoire est applicable à tous les types de déchets, boues et sédiments :
Une prise d’essai est chauffée dans un four jusqu’à (550 ± 25) °C. La différence de masse avant
et après le processus de chauffage est utilisée pour calculer la perte au feu (Équation 1).
La détermination de la perte au feu est effectuée sur un échantillon préalablement séché selon
l'EN 14346 ou directement sur l’échantillon non séché après une étape de séchage intermédiaire,
ou encore en se référant à la matière sèche.
La perte au feu est souvent utilisée afin d’évaluer la teneur des déchets, des boues et des
sédiments en MO non volatiles. Il convient de noter que la teneur en carbone élémentaire et la
volatilisation de matériaux organiques ou des réactions chimiques au sein de composés
inorganiques sont comprises, le cas échéant, dans la perte au feu.
4.1.3. Détermination de la teneur pondérale des MO par perte au feu des déchets et sols organiques (ASTM D2974) :
La norme ASTM D2974 spécifie deux méthodes thermiques de détermination de taux de
MO contenues dans les tourbes et les sols organiques.
- La méthode A : Sur un échantillon de sol préalablement broyé et séché à faible
température et calciné à 440 °C jusqu'à ce que l’échantillon soit complètement réduit en
cendres (pas de changement de masse qui se produit après une nouvelle période de
chauffage) ;
- La méthode B : Sur un échantillon de sol préalablement broyé et séché à faible
température et calciné à 750 °C jusqu'à ce que l’échantillon soit complètement réduit en
cendres.
50
Chapitre 1
4.1.4. Détermination de la teneur en carbone organique total (COT) par combustion sèche (NF EN 15936) :
La présente norme NF EN 15936 spécifie la méthode de détermination de la teneur en
carbone organique total (COT) dans des échantillons de boues, de bio-déchets traités, de sols et
de sédiments contenant plus de 1 g de carbone par kg de matière sèche (0,1 %).
Sous l’action conjuguée d’une élévation de température (au-delà de 1000 °C) et d’un courant
d’oxygène, le carbone inorganique (essentiellement des carbonates) est décomposé et le
carbone organique est oxydé ce qui conduit à la production en particulier de CO2. Les gaz de
combustion produits sont véhiculés par l’hélium, gaz porteur inerte. Le CO2 est séparé de l’eau
vapeur par fixation sur un adsorbant et l’azote moléculaire par séparation chromatographique.
La teneur en MO est évaluée d'une façon conventionnelle par application d'un facteur de 1,724
(facteur de VAN BEMMELEN) à la teneur en carbone organique ainsi déterminée selon
l’Equation 2. Selon Allison [65], cette valeur constitue une approximation de la proportion du
CO dans les MO des sols et ce facteur est assez variable d’un sol à l’autre.
𝐌𝐎 (%) = 𝟏, 𝟕𝟐𝟒 × 𝐂 𝐨𝐫𝐠𝐚𝐧𝐢𝐪𝐮𝐞 Équation 2
4.1.5. Dosage en carbone organique et du carbone total après combustion sèche (NF ISO 10694) :
La présente norme internationale NF ISO 10694 décrète une méthode de dosage du
carbone organique et du carbone total du sol après combustion sèche sur des faibles prises
d’essai. Le carbone présent dans le sol est oxydé en dioxyde de carbone (CO2) par chauffage à
une température d’au moins 900 °C dans un flux de gaz contenant de l’oxygène, et exempt de
gaz carbonique. La quantité de gaz carbonique dégagée est ensuite mesurée par titrimétrie. La
teneur en carbone organique est déterminée à partir de cette dernière valeur après correction en
raison des carbonates présents dans l’échantillon. Si ces derniers sont éliminés au préalable, on
effectue le dosage du carbone organique directement.
La présente norme internationale est applicable à tous les types d’échantillons de sol séchés à
l’air.
51
Chapitre 1
4.2. Méthodes chimiques :
4.2.1. Méthode de détermination de la teneur en MO (NF P94-055) :
La norme NF P94-055 a pour objet la détermination de la teneur massique en MO d’un
sol, par méthode chimique. Elle s’applique à tout échantillon de sol naturel intact ou remanié,
à l’exclusion des granulats.
Selon la norme NF P94-055, une prise d'essai de masse connue d'un échantillon de sol est
mélangée à une solution de dichromate de potassium additionnée d'acide sulfurique.
Les MO qui se trouvent dans la prise d'essai ont été oxydées par la solution. Le dichromate de
potassium restant après la phase d'oxydation est dosé par une solution de sulfate double
d'ammonium et de fer. Une fois l'oxydation réalisée, on procède au dosage de la quantité de
produit qui a réagi avec le carbone contenu dans l'échantillon.
La teneur en MO exprimée par pourcentage et déterminée sur les prises d’essai selon l’équation
suivante :
𝐌𝐎 (%) = 𝟏𝟎𝟒, 𝟓(𝐕𝟏 − 𝐕𝟐 )
𝐦 Équation 3
Avec : MO : Matières Organiques
m : Masse de la prise d’essai
V2: Volume résultant du titrage de l’essai témoin
V1: Volume résultant du titrage de l’essai sur les matériaux de l’étude.
4.2.2. Dosage du carbone organique total dans les déchets, les boues et les sédiments (NF EN 13137) :
La norme NF EN 13137 décrit deux méthodes de détermination de la teneur en carbone
organique total dans les déchets, boues et sédiments : l'une, par calcul de la différence entre les
résultats des mesures du carbone total (CT) et du carbone inorganique total (CIT), et l'autre, par
traitement à l'acide du déchet et mesure du dioxyde de carbone libéré lors de la combustion.
Le carbone organique dans les déchets, ainsi que dans les sédiments, se présente sous des
formes variées. Etant donné la diversité des composés carbonés organiques possibles, le dosage
quantitatif de chacun des constituants organiques d'origine naturelle et anthropogénique n'est
pas possible. De ce fait, il est nécessaire de recourir au mesurage de grandeurs cumulées dont
l'une est le carbone organique total (COT).
52
Chapitre 1
La première méthode :
Le carbone total (CT) présent dans l'échantillon non séché est transformé en dioxyde de
carbone par combustion dans un flux de gaz contenant de l'oxygène et exempt de dioxyde de
carbone. Pour garantir une combustion complète, des catalyseurs et/ou modificateurs peuvent
être utilisés.
La quantité libérée de dioxyde de carbone peut être mesurée par l'une des techniques :
spectrométrie infrarouge, gravimétrie, conductimètre.
Le CIT est déterminé séparément à partir d'un autre sous-échantillon par acidification et purge
du dioxyde de carbone libéré. Celui-ci se mesure par l'une des techniques susmentionnées. Le
COT s'obtient par différence entre les résultats des mesures du CT et du CIT.
La seconde méthode :
Dans ce mode opératoire, les carbonates de l'échantillon non séchés sont tout d'abord
éliminées par traitement de l'échantillon à l'acide. Le dioxyde de carbone libéré lors de l'étape
suivante de combustion se mesure au moyen de l'une des techniques mentionnées dans la
première méthode et conduit directement à la valeur du COT.
4.2.3. Oxydation chimique des MO avec l’eau oxygénée (NBN 589-207-3)
Les MO peuvent être oxydées chimiquement et ainsi être éliminées selon la norme NBN
589-207-3. Une oxydation implique toujours deux composants : la matière à oxyder et l’agent
oxydant. L’agent oxydant comme dans notre cas est H2O2 accepte les électrons et est ainsi
réduit. La matière à oxyder élimine quant à elle les électrons. L’oxydation des MO est réalisée
progressivement par la formation des produits intermédiaires.
Lors de l’oxydation complète des MO, ces dernières sont transformées à terme en produits
inorganiques, en eau et en dioxyde de carbone (Figure 13).
Selon la norme NBN 589-207-3, le traitement à l’eau oxygénée consiste à introduire
l'équivalent de 500 ml d'une solution à 35 % d'eau oxygénée pour 100 g de sol inférieur à 2 mm,
en trois fois : d'abord 300 ml, puis après deux heures, 100 ml, et enfin après une heure, 100 ml.
Le traitement doit être réalisé dans un bain marie à 100 °C.
53
Chapitre 1
La teneur en MO est déterminée selon l’équation ci-dessous :
𝐌𝐎 (%) =(𝐦𝟎 − 𝐦𝟏 )
𝐦𝟎 × 𝟏𝟎𝟎 Équation 4
Avec : MO : Matières Organiques
m0: Masse de la prise d’essai avant oxydation
m1: Masse de la prise d’essai après oxydation
4.2.4. Détermination qualitative de la teneur en acide fulvique (NF EN 1744-1+A1) :
La norme NF EN 1744-1+A1 spécifie une méthode de détermination de la teneur en acide
fulvique qui peut être présent dans les sables.
Les acides fulviques sont des constituants des substances humiques qui ont des effets néfastes
sur les propriétés telles que retarder l'hydratation des ciments. Les acides fulviques se dissolvent
dans l'acide chlorhydrique en donnant une couleur jaune. L'intensité de la couleur croît lorsque
la concentration en acides fulviques augmente. Les composés du Fe (III) donnent une couleur
brune dans l'acide chlorhydrique. Cette couleur est éliminée en convertissant les composés du
Fe (III) en composés incolores du Fe (II) en utilisant une solution de chlorure stanneux.
4.2.5. Dosage du carbone organique par oxydation sulfochromique (NF ISO 14235) :
La norme NF ISO 14235 spécifie une méthode de détermination du carbone organique
présent dans le sol.
Figure 13 : Schéma explicatif d’oxydation des MO.
54
Chapitre 1
Le carbone organique présent dans le sol est oxydé dans un mélange d´une solution de
bichromate de potassium (en excès) et d´acide sulfurique à une température de 135 °C. Les ions
bichromates, qui colorent la solution en rouge, sont réduits en ions Cr3+ qui colorent la solution
en vert. L´intensité de ce vert est mesurée par spectrocolorimétrie. Partant de l´hypothèse que
l´oxydation d´un atome de carbone organique produit quatre électrons, il existe une relation
entre le Cr3+ formé et la quantité de carbone organique. La méthode est calibrée en utilisant le
glucose comme source de carbone oxydable.
4.2.6. Méthode Walkley-Black :
La méthode Walkley-Black repose sur le principe que le bichromate de potassium oxyde
le carbone contenu dans le sol. Le bichromate de potassium change de couleur selon la quantité
de produits réduits et ce changement de couleur peut être comparé à la quantité de carbone
organique présent dans le sol.
Cette méthode permet de mesurer le carbone organique. Elle ne peut être utilisée si les sols
contiennent plus de 20 % de MO.
5. Effets des matières organiques sur les propriétés des sols :
5.1. Choix des matériaux des études :
Le choix des matériaux de ces études est une étape primordiale dans le processus
d’analyse d’un phénomène ou l’impact d’un paramètre. Dans le cas de notre étude, la question
du choix de méthodologie s’est posée dès le début. En effet, les MO se caractérisent par leurs
formes variés et complexes, mais aussi par leurs nombreuses interactions avec d’autres
composants du sol, tels que les argiles. D’autres éléments contenus dans les sédiments tels que
les polluants peuvent également interagir avec les MO.
Afin d’analyser les avantages et les inconvénients de chaque méthodologie utilisée dans
la littérature, un état de l’art concernant les méthodes de préparation des échantillons est dressé :
55
Chapitre 1
5.1.1. Matériaux ayant une teneur en MO naturelle :
Dans ces travaux, les chercheurs utilisent des sols prélevés sur un périmètre très important,
on trouve par exemple l’étude effectuée par Soane [66] sur 58 sols écossais de teneur en MO
différentes. L’objectif de l’étude de Soane [66] était d’analyser l’impact des MO sur la
compressibilité et la résistance au cisaillement des sols écossais. Dans ce cas d’étude, il est à
noter que le nombre important de points d’analyses permet d’avoir une représentativité très
confortable, en revanche, dans le cas où les sols analysés présentent une composition
minéralogique et granulométrique différente cela fausserait l’interprétation des résultats. Sen
et al. [67] ont également utilisé 10 sols de teneurs en MO et de classification différentes. Les
résultats présentent quelques incohérences.
5.1.2. Matériaux ayant une teneur en MO reconstituée :
Plusieurs travaux de recherche étudient l’impact des MO sur les propriétés physiques et
mécaniques en utilisant des matériaux ayant une teneur en MO reconstituée. Parmi ces travaux,
on trouve l’étude menée par Rashid et Brown [68]. Cette étude utilise un sédiment avec une
teneur en MO naturelle de 2 %, puis à partir de ce matériau ils ont créé 3 autres matériaux à
0 % ; 3 % et 4 %. Rashid et Brown [68] ont manipulé deux types de méthodes pour reconstituer
leurs échantillons, la première est une méthode d’élimination des MO et la seconde est une
méthode d’amendement (ajout de MO).
5.1.2.1. Méthodes d’élimination :
Les méthodes d’élimination des MO peuvent être chimiques ou physiques. Les méthodes
chimiques utilisent un oxydant (KCl, H2O2, eau de Javel, acide sulfurique) pour éliminer
complétement les MO ou en détruire une partie. Les méthodes physiques utilisent un dispositif
mécanique (centrifugation, flottation, tri, …) pour séparer les constituants organiques du
matériau analysé.
5.1.2.1.1. Méthodes chimiques :
Oxydation avec de l’eau oxygénée :
Cette méthode a été utilisée dans plusieurs études afin d’éliminer ou modérer le taux de
MO dans le matériau analysé [68], [69].
56
Chapitre 1
Selon la norme NBN 589-207-3, la méthode de dégradation consiste à introduire l'équivalent
de 500 ml d'une solution à 35 % d'eau oxygénée pour 100 g de sédiment inférieur à 2mm, en
trois fois : d'abord 300 ml, puis après deux heures, 100 ml, et enfin après une heure, 100 ml. Le
traitement doit être réalisé dans un bain marie à 100 °C. Les MO peuvent être oxydées
chimiquement et ainsi être éliminées. Une oxydation implique toujours deux composants : la
matière à oxyder et l’agent oxydant. L’agent oxydant comme dans notre cas est H2O2 accepte
les électrons et est ainsi réduit. La matière à oxyder élimine quant à elle les électrons.
L’oxydation des MO est réalisée progressivement par la formation des produits intermédiaires.
Lors de l’oxydation complète des MO, ces dernières sont transformées en produits
inorganiques, en eau et en dioxyde de carbone (Figure 14).
Utilisation de solution de KCl pour l’élimination de MO :
Le traitement au Chlorure de potassium consiste à mélanger l'équivalent de 50 ml de
solution de KCl avec 10 g de l’échantillon dans un bain marie à 100 °C. Le traitement se fait
en trois étapes : d'abord 10 ml, puis après 20 minutes, 20 ml et enfin 20 ml après 25 minutes.
La solution de KCl bascule le pH du matériau vers un pH basic ce qui permettra aux acides
fulviques de se dégrader sous la chaleur dans un milieu basique.
Utilisation de l’eau de Javel pour l’élimination de MO :
La norme NF U44-164 explique la méthode de destruction de MO par attaque à l’eau de
javel. De 5 à 10 litres d'eau de javel sont nécessaires par 1000 g d’échantillon. L'eau de javel a
l'avantage d'attaquer ni les matières plastiques ni le calcaire.
Figure 14 : Méthode de l'eau oxygénée.
57
Chapitre 1
5.1.2.1.2. Méthodes physiques :
Tri (séparation physique) :
Cette méthode de traitement consiste à faire un tri des particules de différentes densités
en lavant le matériau. Après quelques minutes d’agitation, nous remarquons la montée en
surface d’une matière de densité faible. On prélève la matière de densité faible et on répète
l’opération plusieurs fois (lavage +agitation+ extraction) jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de matière
noire de densité faible dans le matériau.
Centrifugation :
Cette méthode est principalement utilisée pour la séparation dissous/particulaire des
effluents difficilement filtrables (par exemple : lisiers, lixiviats, matières de vidanges). La force
de centrifugation (souvent exprimée par le coefficient de centrifugation en nombre de g) et le
temps de centrifugation déterminent l’efficacité de la séparation [70]. Il s’agit d’un procédé
rapide et compact, mais très consommateur d'énergie (150 à 300 kWh/tMS).
5.1.2.2. Méthodes d’amendement :
Le principe de cette méthode consiste à mélanger avec des proportions préalablement
calculées un matériau de teneur en MO faible avec un deuxième matériau riche en MO pour
obtenir un troisième matériau de teneur en MO souhaitée.
Les composts et les tourbes de forte teneur en MO sont les matériaux d’amendement les plus
utilisés [68], [71], [72]. Il peut y avoir aussi un ajout d’acide humique pour faire varier la teneur
en MO des échantillons.
5.2. Effet des matières organiques sur les propriétés physiques des sols :
Des études antérieures sur les effets des MO sur les propriétés physiques et géotechniques
des sols et peu de sédiments ont révélé que les MO agissent sur certaines propriétés physiques
[68], [69], [71], [73]–[77]. Cependant, les impacts enregistrés sur les paramètres physiques
semblent dépendre du type, de la nature du constituant de la phase minérale (quantité et types
d'argiles) et de la phase organique (matière organique soluble, matière organique insoluble)
[76], [78]. De plus, le mode de préparation des échantillons dans les études pourrait également
induire des impacts importants sur les mesures enregistrées.
58
Chapitre 1
La préparation d'échantillons utilisée par Rashid et Brown [68] consiste à traiter un
sédiment marin avec de l’eau oxygénée pour réduire sa teneur en MO de la valeur initiale (2 %)
à une teneur en MO égale à zéro. Pour un échantillon avec une teneur en MO plus élevée,
l'enrichissement en substances humiques naturelles est effectué pour atteindre une teneur en
MO d'environ 4 %. Rashid et Brown [68] ont enregistré une augmentation d'environ 8 % de la
limite de liquidité et de même pour la limite de plasticité lorsque la teneur en MO varie de 2 %
à 4 %. Quant à l'indice de plasticité, Rashid et Brown [68] ont remarqué que ce paramètre est
presque constant. La diminution de la teneur en MO avec l'utilisation de l’eau oxygénée (de
2 % à environ zéro) a induit une diminution de la limite liquidité d'environ 12 % et un impact
négligeable sur la limite de plasticité. Ceci induit une diminution substantielle de l'indice
plastique.
Booth et Dahl [69] ont préparé des échantillons en mélangeant des matériaux originaux
contenant 3,2 % de carbone organique avec des proportions différentes du même matériau traité
au peroxyde d'hydrogène. A l’issue des essais de limites d’Atterberg, ils ont observé une
diminution d'environ 40 % de la limite de liquidité, 13 % de la limite de plasticité et 17 % en
ce qui concerne l’indice de plasticité pour une diminution de 2,6 % du contenu organique. Si
on suppose que la teneur en MO pourrait être déduite de la teneur en carbone organique (en
utilisant un rapport de 1,7), ceci induit une variation de la limite de liquidité de 40 % pour une
diminution de 4,5 % de teneur en MO.
Malkawi et al. [71] ont étudié les effets d'une large gamme de teneur en MO en ajoutant de
la tourbe au sol illitique. La teneur en MO a été réduite en utilisant la méthode de Walkey Black.
Ils ont observé que la surface spécifique des mélanges riches en MO est plus faible d’environ
15 % par rapport à celle d’un matériau faible en MO. La limite de liquidité enregistre une
augmentation de 80 % à environ 100 % pour une augmentation de la teneur en MO comprise
entre 0 % et 30 %, tandis que la valeur de la limite de plasticité passe de 45 % à environ 85 %.
De ce fait, ils obtiennent pour ces matériaux testés une diminution spectaculaire de l'indice de
plasticité.
L'étude de Zeng et al. [78] impliquant des échantillons enrichis par un composant soluble
ou insoluble de MO. Ils ont montré que la variation de la limite de liquidité (augmentation ou
diminution) dépend de la valeur de la limite de liquidité du matériau d'origine et du type de
composants organiques (solubles ou insolubles).
59
Chapitre 1
Stanchi et al. [79], ont effectué des essais sur différents sols avec différentes teneurs en
en MO. Les résultats ont montré que les limites d'Atterberg sont bien corrélées au carbone
organique total (COT) dans la fraction inférieure à 0,425 mm. Ils ont également observé les
effets marqués des MO du sol sur la limite de liquidité et la limite de plasticité.
D'après les résultats de recherche obtenus par différentes études, il est clair qu'il est
difficile de pouvoir généraliser clairement l'effet des MO sur les caractéristiques physiques d'un
matériau donné. Il semble que cet effet soit lié à la nature de la phase minérale, à la nature des
MO et plus probablement aux méthodologies de préparation des échantillons utilisées.
5.3. Effets des matières organiques sur les performances mécaniques des sols :
Les effets des MO sur les propriétés du sol sont, depuis longtemps, une problématique
très étudiée par plusieurs travaux de recherche. En effet, les MO ont été considérées comme
ayant des effets significatifs sur les caractéristiques mécaniques des sols, comme la diminution
de la résistance au cisaillement ou de l’aptitude au compactage [72], [75], [80]–[83].
Les mécanismes impliqués dans l'interaction entre les composants minéraux du sol et les
MO en ce qui concerne le comportement mécanique du sol sont complexes.
Soane [66] a énuméré six mécanismes possibles :
Les Forces de liaison entre les particules et dans les agrégats ;
Augmentation de l'élasticité ;
Effet de dilution ;
Effet de cimentation entre les particules ;
Augmentions des échanges ioniques ;
Effet sur la cohésion et l’angle de frottement.
Une grande partie des recherches menées ont porté sur le comportement mécanique des
sols hautement organiques. Cependant, on sait relativement peu de choses sur le comportement
mécanique des sédiments marins dragués avec une quantité de MO dépassant les seuils prescrits
par le GTR [32] pour une utilisation en technique routière.
60
Chapitre 1
5.3.1. Paramètres de compactage et de portance :
La densité apparente finale d’un sol compacté dépend de la nature de celui-ci, de la teneur
en eau et de l’énergie de compactage. Le compactage permet de resserrer la texture du sol, de
réduire ses déformations, d’améliorer sa portance et sa résistance. Pour un sol donné et pour un
mode de compactage déterminé, il existe une seule teneur en eau WOPN (%) correspondant à la
densité maximale ρdOPN (t/m3). S’il n’y a pas assez d’eau, la lubrification entre les grains n’est
pas assurée. S’il y a trop d’eau, les grains solides glissent les uns sur les autres et ne peuvent
plus se placer afin d’occuper la place minimale. De plus, l’eau prend la place des vides et
absorbe une partie de l’énergie de compactage. Pour une couche de forme, la teneur en eau
optimale et la densité correspondante sont déterminées par l’essai Proctor normal.
Malkawi et al. [71] ont étudié l'impact des MO sur les paramètres de compactage (WOPN,
ρdOPN) sur cinq sols illitiques ayant une teneur en MO de 0 %, 5,5 %, 10,3 %, 16,4 % et 21,2 %
(Figure 15). Ils ont montré que l'augmentation du taux de MO engendre une baisse significative
de ρdOPN (t/m3) de l’ordre de 30 % et une augmentation de WOPN (%) de l’ordre de 32 %. Les
résultats obtenus de différents chercheurs [72], [81], [84], [85] confirment l’impact des MO sur
les paramètres de compactage. Néanmoins, on doit noter qu’il y a peu d’études qui évoquent
l'influence des MO sur les paramètres de compactage des sédiments marins bruts (non traités)
et traités aux liants hydrauliques.
Figure 15 : Courbe de compactage du sol en fonction de la quantité de MO [71].
61
Chapitre 1
5.3.2. Paramètres de compressibilité :
La compressibilité des matériaux est une caractéristique très importante à mesurer avant
toute projection d’ouvrage. Les MO, même en faibles proportions, peuvent affecter la
compressibilité des matériaux. Plusieurs auteurs ont étudié l'impact des MO sur la
compressibilité de sols naturels et de sols traités [68], [80], [84], [86], [87].
Develioglu et Pulat [80] ont effectué différents essais sur des mélanges d'argiles de
Kuttanad (Inde) ayant une teneur en MO de 0 %, 4 %, 7 % et 11 %. Les essais ont permis de
tracer les courbes de compressibilité unidimensionnelle par rapport au taux de MO des
matériaux étudiés. Develioglu et Pulat [80] ont observé que l’effet des MO peut non seulement
augmenter l’indice des vides, mais aussi l’indice de compression (Figure 16). Selon les résultats
obtenus, Develioglu et Pulat [80] ont observé que l'augmentation du taux de MO de 0 % à 11 %
a triplé d'une part la compressibilité de ce type de matériau et d’autre part, il a influencé
négativement les contraintes de pré-consolidation.
Une autre étude a été effectuée par Rashid et Brown [68] sur trois sédiments de la Baie de
Nouvelle-Écosse, ayant des taux de MO de 0 %, 2 % et 4 %. Rashid et Brown [68] ont observé
que l'augmentation du taux de MO de 0 % à 4 % a doublé la compressibilité de ce type de
matériau (Tableau 8).
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10 15
Ind
ice
de
com
pre
ssio
n (
Cc)
Teneur en MO (%)
(Develioglu, I., Pulat, H.F., 2017)
(Rashid. M. A., Brown. J. D., 1975)
(Rabbee et al. 2012)
Figure 16 : L’évolution des indices de compression en fonction de la teneur en MO.
62
Chapitre 1
Tableau 8 : Relation entre l’indice de compression et la teneur en MO.
5.3.3. Résistance au cisaillement :
La résistance des sols mesurée expérimentalement et les théories de rupture permettent
d'étudier la stabilité des fondations superficielles ou profondes, des ouvrages de soutènement,
des remblais, des talus naturels ou de déblais et des barrages en terre. La résistance au
cisaillement d’un sol dépend de nombreux facteurs, tels que la nature et l’état du sol, mais aussi
l’intensité des efforts exercés et la manière dont ces efforts sont appliqués. Dans les sols saturés,
cette résistance est liée uniquement au squelette solide du sol, puisque l’eau interstitielle n’offre
aucune résistance aux efforts de cisaillement ou de distorsion. Elle ne dépend, de ce fait, que
des contraintes effectives qui s’exercent aux points de contact des particules solides. Elle est
donc directement influencée par les conditions d’application de ces efforts, conditions qui
commandent la répartition des contraintes totales appliquées entre la phase liquide (pression
interstitielle) et la phase solide (contrainte effective) du sol.
Selon la littérature scientifique, l’effet des MO sur la cohésion et l’angle de frottement
dépend fortement de la nature des MO contenues ou incorporées dans les matériaux, la méthode
de préparation des échantillons (MO ajoutées, MO oxydées, …), la teneur en eau, la pression
appliquée, le type du sol (Tableau 9). De plus, les tendances observées dans la littérature sont
multiples et variées. Par exemple, sur des échantillons de masse volumique égale à 1,25 t/m3,
Davies [88] a observé que la résistance au cisaillement des échantillons remaniés augmente
avec l’enrichissement en MO. Stewart et Hartge [89] ont également observé que la cohésion et
l’angle de frottement augmentent avec l’augmentation de la teneur en MO des sols sableux
précédemment compactés et avec la même porosité. Une tendance similaire est observée par
Zhang et Hartge [90] sur des sols sableux qui ont le même indice des vides initial. Al-Adili et
Al-Soudany [91] ont effectué l'essai de résistance au cisaillement sur deux types de sols
(argileux et limoneux) ayant des teneurs en MO de 5 %, 10 %, 15 % et 20 %. D'après leurs
Etude Matériau Méthode utilisée dans la
préparation des matériaux Equation de corrélation R²
Develioglu
et Pulat [73] Sédiments
marins
MO naturellement
continues dans les
échantillons testés.
Cc = 0,025 MO (%) + 0,03 0,94
Rashid et
Brown [64] Sédiments
marins
Amendement +oxydation
des MO Cc = 0,05 MO (%) + 0,2 0,99
Rabbee et
al. [86] Sols
organiques Amendement Cc = 0,02 MO (%) + 0,2 0,79
63
Chapitre 1
résultats, nous remarquons une relation directe entre le taux de MO, la variation de la cohésion
et de l'angle de frottement.
Ces résultats ont pu montrer que les MO peuvent augmenter l'angle de frottement dans les deux
types de matériaux étudiés (argileux et limoneux). Néanmoins, les résultats obtenus par Rabbee
et al. [86] montrent une légère diminution de l'angle de frottement pour des sols organiques
avec des teneurs en MO augmentées à l’aide d’un compost à forte teneur en MO. Ohu et al.
[92] ont également remarqué une tendance différente sur leur échantillons : un sol argileux, un
sol sablo-limoneux et un sol argilo-limoneux dont la teneur en MO initiale est égale à 3 %. Un
compost à forte teneur en MO a été utilisé dans leurs travaux pour créer trois mélanges pour
chaque type de sols : 3 %, 10 % et 17 % de MO. Ohu et al. [92] ont observé que la résistance
au cisaillement des mélanges crées diminue avec l’augmentation de la teneur en MO
incorporées. D’après Ekwue [81], la résistance au cisaillement du sol augmente ou diminue
avec l'augmentation de la teneur en MO selon la forme et l’origine des MO contenues dans le
sol. Les MO de l'herbe accroissent la résistance au cisaillement puisqu'elles améliorent la
stabilité des agrégats du sol, mais les augmentations sont limitées dans le temps.
Tableau 9 : Tableau récapitulatifs de l’état de l’art concernant l’évolution de la résistance au cisaillement en
fonction de la teneur en MO.
Etude Matériaux
Méthode de préparation
des matériaux utilisés
Résistance au
cisaillement
/MO
Davies [88] sols limoneux argileux
MO naturellement
continues dans les
échantillons testés.
+/+
Stewart et
Hartge [89] sols sableux
Echantillons compactés de
même porosité +
Amendement
+/+
Zhang et
Hartge [90] sols sableux Amendement +/+
Al-Adili et Al-
Soudany [91]
Sols argileux et
limoneux Amendement +/+
Rabbee et al.
[86] Sols organiques Amendement -/+
Ohu et al. [92]
sol argileux, sol sablo-
limoneux, sol argilo-
limoneux
Amendement -/+
Ekwue [81] sol sablo-limoneux
Amendement (MO
fraiches) +/+
sol sablo-limoneux Amendement (compost) -/+
64
Chapitre 1
6. Systèmes de classification des matériaux :
Plusieurs systèmes de classification de matériaux sont établis dans différents pays. Ils sont
nés du besoin des ingénieurs civils de disposer des informations suffisamment fiables sur le
comportement des matériaux pour pouvoir prendre des décisions rapides et efficaces, surtout
dans les domaines de construction routière.
Les systèmes de classification des matériaux ont pour but de ranger les sols en catégories
présentant les mêmes caractéristiques géotechniques ou des caractéristiques similaires. Ils
permettent de grouper de très nombreux échantillons recueillis au cours d’une campagne de
sondages et d’établir des coupes géotechniques du terrain.
Il existe de très nombreux systèmes de classification des matériaux :
Les uns sont basés sur l’aptitude du matériau pour un emploi particulier du génie civil.
Ces classifications présentent en général l’inconvénient de ne pouvoir être étendues à
d’autres usages que celui pour lequel elles ont été établies ;
Les autres sont basés sur certains essais d’identification. Parmi ces systèmes, plusieurs
se réfèrent uniquement à la granularité du sol (diagramme triangulaire) et d’autres
utilisent simultanément la granularité et la plasticité du sol.
Dans ce qui suit, nous allons passer en revue les systèmes de classification des matériaux
utilisés dans quelques pays tels que les Etats-Unis, la France, l’Inde et d’autres pays.
6.1. Le système de classification aux Etats-Unis :
Aux États-Unis, l'American Association of State Highway and Transportation Officials
(AASHTO) et l'American Society for Testing Materials (ASTM) sont les principales
organisations qui classent les matériaux. Des systèmes de classification supplémentaires ont été
mis au point par d'autres organisations, par exemple certains ministères de l'État [93].
6.1.1. Le système de classification AASHTO :
AASHTO est l'association qui représente les départements de transport de 50 états aux
États-Unis. Elle représente les cinq modes de transport: air, autoroutes, transport en commun,
rail et eau. La classification des matériaux de l'AASHTO est basée sur les exigences de
65
Chapitre 1
construction liées à chaque mode de transport. AASHTO M-145 classe le sol en 7 catégories,
de A-1 à A-7, sur la base de l'analyse de la taille des particules et les limites d'Atterberg [94]
(Annexe 1). La huitième catégorie (A-8) se compose de sols très organiques (tourbe ou terre
noire) habituellement trouvés dans des zones marécageuses manifestement instables. Les sols
appartenant à cette catégorie sont caractérisés par leur faible densité, une haute compressibilité,
une haute teneur en eau et naturellement par une haute teneur en MO. La classification de ce
type du sol est basée sur une inspection visuelle et ne dépend pas des résultats de l'analyse
granulométrique ou des limites d'Atterberg.
6.1.2. Le système de classification USCS :
Le système de classification ASTM D2487 (American Society for Testing Materials)
classe les sols selon le système unifié de classification des sols basé sur la distribution
granulométrique et les limites d'Atterberg [95]. Ce système utilise les résultats d’essais
classiques d’identification des sols :
Les critères granulométriques :
- Les pourcentages de gravier, sable et particules fines (tamisât à 2 mm et 0,08 mm) ;
- La forme de la courbe granulométrique : coefficient d’uniformité et coefficient de
courbure.
- Ce système de classification distingue deux principaux types de sols [96]: Les sols fins
(passant au tamis de 75 µm ≥ 50 %) et les sols grossiers (passant au tamis de 75 µm <
50 %).
Les caractéristiques de plasticité : WL (%), IP (%) et la ligne A d’équation :
IP = 0,73 (WL-20) (relation de Casagrande [73]).
La présence des MO dans les matériaux : USCS considère que la limite de
liquidité d'un sol contenant des quantités importantes de MO diminue considérablement
lorsque ce sol est séché à l’étuve. Le sol est considéré comme étant organique si le ratio
entre la valeur de la limité de liquidité du sol séché et la valeur de la limité de liquidité
du sol brut est inférieur à 0,75 (Annexe 2). La comparaison de la limite de liquidité d'un
échantillon avant et après séchage à l’étuve peut donc être utilisée comme une mesure
qualitative de la teneur en MO d'un sol.
66
Chapitre 1
Comme pour le système de classification AASHTO, le système de classification ASTM
tient également compte des sols hautement organiques, qu'il les qualifie de tourbe [96],
[97]. Les sols sont classés comme hautement organiques en raison de leur couleur
foncée et de leur odeur particulière (c'est-à-dire qu'ils ne font pas appel à une mesure ou
un essai particulier) [95]. Les sols organiques et peu organiques sont classés en fonction
de leurs caractéristiques physiques (distribution granulométrique, limite de liquidité,
indice de plasticité), comme étant des sous-catégories de sols fins. Ces derniers sont
classés sur la charte de plasticité comme étant des argiles organiques ou des limons
organiques, sur la base de leur indice de plasticité et de leur limite de plasticité
(Figure 17).
Pour les sols inorganiques fins, ce système de classification les classe en fonction de leur limite
de liquidité et leur indice de plasticité sur le diagramme de plasticité illustré sur la Figure 17.
Une fois les matériaux classés en catégories, leur compressibilité, leur résistance au cisaillement
et leur ouvrabilité dans la construction routière peuvent être qualifiées (Tableau 10).
Figure 17 : Diagramme de plasticité pour le système de classification USCS en accord avec ASTM D 2487
[94].
67
Chapitre 1
Tableau 10 : Tableau estimatif du comportement géotechnique des catégorie selon le système de classification
USCS [96].
6.2. Le système de classification Internationale (ESCS) :
Un système de classification des sols est également fourni par l'organisation internationale
de normalisation suivant les ISO 14688-1 et ISO 14688-2. Comme dans les systèmes de
classification ASTM et AASHTO, la norme ISO 14688-2, qui traite des principes de
classification, indique que ce système appelé (ESCS) utilise la distribution granulométrique et
l’indice de plasticité pour classer les sols. Cependant, ce système inclut également la teneur en
MO comme une caractéristique clé utilisée dans la classification des sols. Plus précisément, une
distinction est faite entre les sols faibles en MO (teneur en MO entre 2 % et 6 %), les sols de
teneur en MO moyenne (teneur en MO entre 6 % et 20 %) et sols riches en MO (teneur en MO
supérieure à 20 %) [98], [99].
Catégorie Compressibilité
Résistance
au
cisaillement
Ouvrabilité
dans la
technique
routière
ML Moyenne Acceptable Faible
MH Forte Faible Faible
CL Moyenne Acceptable Bonne
OL Moyenne Faible Faible
OH Forte Faible Faible
CH Forte Faible Faible
Figure 18 : Diagramme de plasticité pour le système de classification ESCS [98].
68
Chapitre 1
Comme pour le système USCS, ce système de classification utilise également le diagramme de
plasticité pour classer les matériaux mais en leur donnant une appellation différente aux
catégories (Figure 18).
6.3. Le système de classification Français selon le Guide de terrassement routier (GTR) :
Cette classification est la seule présentant un réel intérêt pratique et utilisée dans les
travaux de terrassement. Son utilisation est détaillée dans le Guide technique pour la réalisation
des remblais et des couches de forme. C’est pour cette raison qu’elle est désignée par
classification GTR [32].
Cette classification définit des classes de sols corrélées avec l’aptitude au compactage des
matériaux en fonction des conditions de chantiers et leur comportement mécanique ultérieur.
Elle tient compte des mêmes caractéristiques de base que la classification USCS, mais elle est
beaucoup plus précise pour la quantité des MO et les particules argileuses (à travers l’essai de
bleu de méthylène) qui ont une grande influence sur la conduite des terrassements, et tient
compte de l’altérabilité des matériaux au cours du temps.
Figure 19 : Structure générale du système de classification GTR [32].
69
Chapitre 1
Selon le Guide de Terrassement Routier (GTR), les matériaux ayant une teneur en MO
supérieure à 3 % sont classés en classe F avec les sous-produits industriels. Cette catégorie est
ensuite divisée en plusieurs sous-catégories selon le taux de MO contenu dans les matériaux,
l’origine et la prévenance des matériaux. Les matériaux ayant une teneur en MO comprise entre
3 % et 10 % sont classé comme étant F11 et les matériaux ayant une teneur en MO supérieure à
10 % sont classés comme étant F12 [32]. Les principes généraux de cette classification sont
présentés sur la Figure 19.
70
Chapitre 1
7. Conclusions du chapitre :
Les sédiments de dragage et de curage représentent des volumes importants à gérer dans
le monde (quelques milliards de m3). En France, c’est plusieurs dizaines de millions de m3 que
les gestionnaires des ports et des voies navigables doivent gérer. Les sédiments de dragage ou
de curage sont généralement constitués d’une phase minérale, d’une phase organique (sous
différentes formes) et d’une phase liquide généralement de l’eau. Au regard des résultats connus
sur les sols, la présence de MO dans un sédiment, même en faibles proportions, peut affecter
les caractéristiques physiques, chimiques et le comportement mécanique. La présence de MO
dans les sédiments représente, dans certains cas, un obstacle dans le processus de valorisation.
C’est pourquoi, il est important d’étudier les impacts des MO sur le comportement des
sédiments et de même les méthodes de caractérisation de ces MO.
L’état de l’art entrepris sur les MO dans les sédiments amène à conclure que la
composition physico-chimique des MO est très complexe et variée. La composition des MO
dépend essentiellement de l’origine, du type, du taux de minéralisation et d’humification ainsi
que de la multiplicité d’interaction entre MO et différents composants des sédiments. Les MO
présentes dans les sols, les déchets et les sédiments (en particulier) sont ainsi très hétérogènes
et complexes. Cette variabilité s’observe bien évidemment entre deux sédiments différents par
leur type (marins et fluviaux), mais également sur le même sédiment. Ce qui rend très complexe
la caractérisation des MO dans les sédiments.
L’état de l’art entrepris sur la caractérisation des MO dans les sols ou les sédiments a
conduit à la classification des essais en deux familles :
Les essais thermiques (calcination, perte au feu, ...) : ces essais ont pour but de donner
une estimation de teneur en MO dans les sols, les déchets, les boues et les sédiments.
L’ensemble de ces essais se basent essentiellement sur le même principe : calciner une
masse sèche d’un échantillon dans une plage thermique comprise entre 440 °C et
550 °C, la teneur en MO de cet échantillon est égale à la perte en masse ;
Les essais chimiques : la plupart des essais chimiques utilisent des acides plus ou moins
forts (acide sulfurique, acide chlorhydrique, acide orthophosphorique, acide
nitrique, …) et d’autre réactifs tels que l’eau oxygénée. L’utilisation de ces réactifs dans
les essais chimiques n’est pas anodine, certains composants de MO se dissolvent que
dans un milieu acide à l’image de l’acide fulvique. D’autres composants tels que l’acide
71
Chapitre 1
humique ne peut se dissoudre que dans un milieu basique. Quelques essais chimiques
tels que : NF P94-055 ou Walkley-Black nous permettent d’avoir une estimation
quantitative de la teneur en MO ou de carbone organique présent dans l’échantillon
analysé. Les autres essais chimiques répertoriés dans le bilan élaboré dans ce rapport,
nous donnent seulement des informations qualitatives ;
Pour les travaux envisagés dans notre étude, le choix des matériaux de l’étude est une
étape primordiale dans le processus d’analyse des impacts des MO sur les propriétés physiques
et mécaniques. Dans notre cas d’étude, la question du choix de méthodologie s’est posée dès le
début de notre recherche. En effet, les MO se caractérisent par leurs formes variées et
complexes, mais aussi par leurs nombreuses interactions avec d’autres composants du sol, tels
que les argiles. D’autres éléments contenus dans les sédiments tels que les polluants peuvent
également interagir avec les MO. Sur la base de l’état de l’art deux méthodes principales
s’illustrent : la méthode par amendement des MO et la méthode par traitements chimiques. Dans
la suite des travaux, plusieurs méthodologies vont être examinées et une méthodologie
spécifique de préparation de matériaux sera donc mise en place. Peu de travaux ont été recensés
dans l’état de l’art concernant l’impact des MO sur les propriétés physiques et mécaniques des
sédiments. Sur les sols, ces travaux ont été nettement plus nombreux. Sur la base de ces travaux,
il est clair qu’il est difficile de pouvoir généraliser l’effet des MO sur les caractéristiques
physiques et mécaniques des sédiments.
Dans ce qui suit, après la présentation de la démarche scientifique de l’étude, le choix des
matériaux est entrepris à travers une pré-étude. A partir des résultats obtenus de la pré-étude,
une caractérisation extensive des matériaux choisis est réalisée. En ce qui concerne les
méthodes de caractérisation des MO, un chapitre spécifique est consacré à la comparaison de
la sensibilité, de la pertinence et de la fiabilité des méthodes de caractérisation des MO dans les
sédiments. A l’issue du bilan complet des essais de caractérisation des MO, une campagne
d’essais physiques et mécaniques est entrepris sur les échantillons formulés selon la méthode
choisie dans la pré-étude en ayant une teneur en MO allant de 0 % jusqu’à 15 %. Les résultats
obtenus de ces essais et les discussions engagées sur l’impact des MO sur les propriétés
physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage font l’objet d’un autre
chapitre spécifique. Enfin, un dernier chapitre est consacré à l’approche opérationnelle de
valorisation des sédiments dans la construction routière qui aborde l’impact du taux des MO
sur la classification des matériaux étudié et l’étude de certaines variantes dans le cycle de
valorisation.
72
Chapitre 1
CHAPITRE II :
Démarche, Matériaux de l’Etude et
Caractérisations
1. Introduction : ..................................................................................................................... 75
2. Démarche scientifique de l’étude :.................................................................................... 75
3. Pré-étude pour le choix des matériaux : ............................................................................ 77
3.1. Méthodes d’élimination des MO : ............................................................................. 78
3.2. Méthode d’amendement organique : ......................................................................... 88
4. Matériaux de l’étude : ....................................................................................................... 90
4.1. Le sédiment marin : ................................................................................................... 91
4.2. Le Compost industriel : ............................................................................................. 92
4.3. Le déchet minéral (Argiles Silteuses Calcaires (ASCal)) : ....................................... 94
5. Caractérisation des matériaux de l’étude : ........................................................................ 94
5.1. Caractérisation physique : ......................................................................................... 94
5.2. Caractérisation chimique : ....................................................................................... 105
5.3. Analyse minéralogique : .......................................................................................... 106
5.4. Caractérisation environnementale : ......................................................................... 108
5.5. Comportement mécanique : ..................................................................................... 109
5.6. Classification des matériaux de l’étude : ................................................................. 120
6. Conclusions du chapitre : ................................................................................................ 122
74
Chapitre 2
75
Chapitre 2
1. Introduction :
Chaque année, la région Hauts-de-France drague environ quatre millions de m3 de
sédiments, un volume qui représente 8 % de matériaux dragués sur le plan national [33]. Dans
une démarche de développement durable menée par la région, plusieurs études ont été lancées
pour valoriser les sédiments dragués dans les travaux de génie civil. Le but de cette étude est
de caractériser et identifier les MO et par la suite, comprendre leurs influences sur les propriétés
physiques et mécaniques des sédiments dragués. Les protocoles de caractérisation des MO dans
les matrices solides, sont souvent laborieux et inadaptés au terrain et nécessitent en général du
matériel sophistiqué. Bien qu’il soit important d’établir un bilan de ces protocoles actuels de
caractérisation (appliqués pour la caractérisation des sols), pour développer un outil modulable,
pouvant à la fois caractériser les MO mais aussi renseigner sur ses influences sur les propriétés
des sédiments.
Le chapitre I a permis de réunir les facteurs liés aux sédiments et à la phase organique contenue
dans les sédiments de dragage. D’après l’état de l’art, le caractère nuisible des MO sur les
propriétés physiques et mécaniques a été amplement identifié par plusieurs études menées sur
les sols de type argileux et organiques, néanmoins, très peu d’entre elles qui se sont intéressées
à l’étude d’impacts des MO sur les propriétés physiques et mécaniques des sédiments de
dragage en vue d’une valorisation en technique routière.
2. Démarche scientifique de l’étude :
Notre étude se place, ainsi cité auparavant, dans une démarche de valorisation des
sédiments, en améliorant la connaissance du comportement des matériaux peu à non pollués,
pour les valoriser efficacement et facilement, dans le secteur routier, en utilisant des techniques
permettant un équilibre entre coût et efficacité. Notre démarche scientifique se compose de cinq
étapes (Figure 20):
Etape 1 (Pré-étude pour le choix des matériaux) :
Selon la littérature scientifique, les sédiments de dragage sont caractérisés par un taux de
MO compris entre 5 % et 15 % [33], [68], [77], [100], [101]. La présence des MO empêche la
valorisation des sédiments dans la technique routière, parce que dans ce domaine, selon
différents guides développés dans différents pays, le taux des MO est limité entre 2 % et 4 %
76
Chapitre 2
pour les couches de forme et entre 5 % et 7 % pour les remblais [77], [83]. Dans ce contexte,
nous avons été amené à chercher une solution pour supprimer complètement ou, du moins,
baisser la teneur naturelle en MO du sédiment sans avoir changé sa composition minéralogique,
chimique ou granulométrique. A partir des méthodes présentées dans le chapitre I pour le choix
des matériaux, une pré-étude a été effectuée sur un sédiment marin, un déchet inorganique et
un compost industriel (avec une forte teneur en MO) en utilisant deux méthodes d’élimination
des MO (oxydation à l’eau oxygénée et le tri) et une méthode d’amendement organique.
Etape 2 (Caractérisation des matériaux de l’étude) :
Des essais de caractérisation physiques, minéralogiques, environnementaux et
mécaniques ont été effectués sur les matériaux de l’étude (sédiment, matériau à faible teneur en
MO, matériau à forte teneur en MO).
Etape 3 (Méthodes de caractérisation des MO) :
En s’appuyant sur les informations présentées dans le chapitre I, la troisième étape de
notre démarche met le focus sur les méthodes de caractérisation des MO dans les sols, les
déchets, les boues et les sédiments. Un bilan de ces méthodes a été dressé dans le but de
comparer leurs résultats et développer un outil modulable, pouvant caractériser les MO selon
le domaine d’application. Cette étape est indispensable pour comprendre les influences des MO
sur les propriétés physiques et mécaniques des sédiments dragués.
Etape 4 (Effets des MO sur les propriétés physiques et le comportement
mécanique) :
Les résultats du bilan présenté dans la troisième partie de la démarche scientifique ainsi
que les résultats des méthodes utilisées dans la première étape, permettent de reconstituer de
nouveaux matériaux à partir de ceux caractérisés (sédiment, matériau à faible teneur en MO,
matériau à forte teneur en MO). En s’appuyant sur le guide de terrassement routier et la
littérature scientifique, une campagne d’essais physiques et mécaniques a été effectuée sur les
matériaux reconstitués.
Etape 5 (Impacts sur la classification des matériaux) :
Après l'analyse des effets des MO sur le comportement physique et mécanique des
matériaux étudiés, leur possibles effets sur la classification des matériaux ont été également
discutés dans cette étape. En se basant sur les paramètres physiques des matériaux reconstitués
77
Chapitre 2
(distribution granulométrique, indice de plasticité et la valeur de bleu de méthylène) et sur leur
état hydrique à travers les essais de compactage et de portance pour enfin investiguer l’effet des
MO sur la classification des mélanges reconstitués.
Figure 20 : Démarche scientifique de l’étude.
3. Pré-étude pour le choix des matériaux :
Un sédiment marin provient du Grand Port Maritime de Dunkerque (GPMD) a été utilisé
dans cette pré-étude. Le choix de ce sédiment est motivé par trois critères : la disponibilité, la
représentativité et la proximité géographique du lieu de prélèvement. Selon les enquêtes et
statistiques réalisées par le CETMEF, la quantité de sédiments marins dragués en France en
2010 représente un total de 18,6 millions de tonnes de matières sèches. Le sédiment marin de
GPMD a été le sujet de plusieurs travaux de recherche visant sa valorisation dans le domaine
du Génie Civil [22], [24], [33], [76], [101], il est ainsi représentatif de beaucoup d’autres
sédiments dragués dans d’autres ports français et européens. Le choix de ce sédiment a été
également motivé par la proximité géographique du GPMD, sachant bien que ce port est
considéré comme étant le port le plus grand de la région Hauts-des-France et le troisième plus
grand port à l’échelle nationale.
78
Chapitre 2
Cette pré-étude vise à analyser les méthodes permettant d’avoir des matériaux ayant des
teneurs en MO entre 0 % et 15 %. Le choix de ce domaine de teneurs en MO (0 % 15 %) est
justifié par la limitation actuelle du taux de MO par différents guides dans différents pays pour
un emploi direct des matériaux en couche de chaussée lorsque leur teneur en MO ne dépasse
3 % et en remblai lorsque leur teneur en MO est comprise entre 5 % et 10 %.
Le choix de méthodologie pour reconstituer des échantillons est une étape primordiale
dans le processus d’analyse d’un phénomène ou l’impact d’un paramètre. Cependant, chaque
méthodologie peut présenter quelques avantages et inconvénients. Dans notre étude, nous avons
utilisé quelques méthodes citées dans la littérature scientifique et présentées dans le chapitre I.
Ces méthodes se rangent en deux catégories distinctes :
- Méthodes d’élimination (oxydation chimique ou séparation physique) des MO ;
- Méthode d’amendement des MO.
3.1. Méthodes d’élimination des MO :
A partir de notre étude sur les méthodologies de choix de matériaux (chapitre I), nous
avons choisi d’appliquer deux méthodes d’élimination :
- Oxydation des MO à l’eau oxygénée « H2O2 » selon la norme NBN 589-207-3 ;
- Méthode de séparation physique dite « tri ».
Quelques essais complémentaires ont été réalisés sur le sédiment traité (analyse
thermogravimétrique, diffraction aux rayons X, spectrométrie de fluorescence des rayons X)
pour nous permettre de choisir la méthode la plus appropriée à notre étude. Le compost
(matériau à forte teneur en composés organiques), à son tour, a été aussi traité à l’eau oxygénée.
3.1.1. Oxydation des MO à l’eau oxygénée :
Selon la norme NBN 589-207 § 3, le traitement à l’eau oxygénée consiste à oxyder une
masse correspondante à 10 g de sédiment avec un volume équivalent à 50 ml d’une solution à
base de 35 % d’eau oxygénée. Le traitement doit être réalisé dans un bain marie à 100 °C
79
Chapitre 2
(Figure 21 (a)). Les 50 ml de solution d’eau oxygénée ont été ajoutés en trois fois : d’abord 10
ml puis 20 ml après 15 minutes et enfin 20 ml après 15 mn (Figure 21 (b)).
Dans cet essai, les 10 g de sédiment ont été traités d’abord avec 50 ml de la solution à base de
35 % d’eau oxygénée. Différents phénomènes ont été observés après chaque ajout de H2O2 :
- Ebullition du sédiment traité ;
- Dégagement de CO2.
Dix échantillons du sédiment ont été traités avec différentes quantités de solution à base de
35 % d’eau oxygénée (50 ml, 100 ml, 150ml, 200 ml, 250 ml, 300 ml, 350 ml, 400 ml, 450 ml,
500 ml). Une fois l’oxydation achevée (pas de dégagement de CO2), les échantillons oxydés
ont été séchés dans une étuve à baisse température (40 °C) pour éliminer l’eau et pesés après
séchage. La teneur en MO des échantillons est déterminée selon l’Équation 4 :
𝐌𝐎 (%) =(𝐦𝟎 − 𝐦𝟏 )
𝒎𝟎 × 𝟏𝟎𝟎 Équation 4
La Figure 22 illustre les résultats obtenus :
(a) (b)
Figure 21 : (a) Bain marie ; (b) Dispositif d'oxydation des MO.
80
Chapitre 2
Selon les résultats obtenus (Figure 22), nous observons une augmentation des pertes en masse
(perte en teneurs en MO) avec l’augmentation des volumes de H2O2 utilisés pour l’oxydation
des MO. Après l’ajout de 500 ml d’eau oxygénée, une baisse d’environ 2,5 % par rapport à la
teneur en MO initiale du sédiment est notée. A titre comparatif, un traitement à l’eau oxygénée
a été appliqué sur le compost (Figure 23). Au vu de la teneur en MO initiale du compost, le
traitement à l’eau oxygénée semble plus efficace. Nous obtenons après utilisation de 500 ml
d’eau oxygénée une perte de masse d’environ 13,5 % (la perte de masse est 5 fois plus
importante que celle enregistrée sur le sédiment). Cette différence d’efficacité du traitement
nous mène à supposer que l’efficacité de l’eau oxygénée dépend de la teneur en MO initiale et
aussi du type des MO.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 10 20 30 40 50 60
Perte
en
ma
sse
%
Volume H2O2/ Masse sédiment (ml / g)
Figure 22 : Oxydation des MO du sédiment avec l’eau oxygénée.
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100 120
Perte
en
ma
sse
%
Volume H2O2/ Masse compost (ml / g)
Figure 23 : Oxydation des MO du compost avec l’eau oxygénée.
81
Chapitre 2
3.1.1.1. Analyse du traitement H2O2 sur la phase minérale du sédiment :
Pour étudier, d’une part, l’impact de ce traitement sur la phase minérale du sédiment et
d’autre part, la correspondance entre le pourcentage de la perte de masse après oxydation et le
taux de dégradation des MO contenues dans le sédiment, trois autres essais complémentaires
(Analyse thermogravimétrique, DRX et la spectrométrie de fluorescence par rayon X) ont été
effectués sur le sédiment. Ces essais ont été appliqués sur deux types de sédiments :
- Sédiment brut ;
- Sédiment traité avec l’eau oxygénée (concentration de 35 %).
3.1.1.1.1. Analyse Thermogravimétrique (ATG) :
L’analyse thermogravimétrique (ATG) nous permet de suivre la perte en masse d’un
composé en fonction d’un cycle thermique de chauffage jusqu’à 1000 °C ou plus.
Cet essai a été réalisé dans le but d’observer les phénomènes générés dans les différentes formes
du sédiment pendant le cycle thermique de 105 °C à 1000 °C. Les résultats de l’analyse ATG
sur le sédiment brut et le sédiment traité sont illustrés sur la Figure 24 et la Figure 25.
Figure 24 : ATG du sédiment brut.
82
Chapitre 2
Pour le sédiment brut (Figure 24), on remarque :
Une déshydratation : Perte de l’eau absorbée vers 100 °C 300 °C ;
Une détérioration très importante de carbone organique correspond selon la littérature
scientifique [33], [102]–[104] à la détérioration des MO entre 300 °C et 500 °C ;
Dégagement du dioxyde de carbone CO2 et décomposition de la phase calcite entre
650 °C et 750 °C.
Pour le sédiment traité à l’eau oxygénée (Figure 25), on remarque :
Une déshydratation plus importante que celle observée sur le sédiment brut : perte de
l’eau absorbée entre 100 °C et 200 °C. Ceci est dû au traitement à l’eau oxygénée.
Détérioration de carbone organique entre 300 °C et 550 °C : elle est moins importante
que celle du sédiment brut (varie entre 2 % et 3 %).
Dégagement du dioxyde de carbone CO2 et décomposition de la phase calcite entre
550 °C et 760 °C : le dégagement de CO2 et la décomposition de la phase calcite ont été
plus importants que ceux du sédiment brut, c’est probablement le traitement à l’eau
oxygénée qui a attaqué les substances humiques. D’après Reddy et Hoch [105] la
présence des substances humiques empêche ou ralentit la décomposition de la phase
calcite.
Figure 25 : ATG du sédiment traité.
83
Chapitre 2
En comparant la Figures 24 à la Figures 25, nous observons qu’il y a une différence au niveau
des éléments dégagés ou détériorés entre le sédiment brut et le sédiment traité :
- Dans le sédiment traité, la détérioration de carbone organique et la déshydratation ont été
moins importants que dans le sédiment brut, ceci peut être interprété par le fait que les
MO ont été préalablement détériorées suite au traitement.
- Un changement de pente aux alentours de 600 °C (température de fusion de la dolomite
d’environ 610 °C [22], [33]). La masse du carbone minéral est liée à la perte de masse
mesurée entre cette température et la phase de stabilisation. Les pourcentages de
carbone minéral pour les échantillons examinés sont calculés entre 610 °C et le point de
stabilisation (Tableau 11).
Tableau 11 : Valeurs du carbone minéral du sédiment brut et le sédiment traité.
Les valeurs de carbone minéral du sédiment brut et du sédiment traité sont comparables. Ce
résultat permet de comprendre que la composition minéralogique du sédiment n’a pas été
modifiée suite au traitement. Néanmoins, une vérification détaillée avec les essais adéquats
(DRX, FX) est nécessaire.
3.1.1.1.2. Diffraction aux rayons X :
Cet essai consiste à déterminer les minéraux par diffraction aux rayons X, en utilisant un
diffractomètre muni d’un monochromateur à anticathode de cuivre qui sert à émettre la
radiation Kα du cuivre. En se référant à la loi de Bragg, cet essai utilise la propriété de la
diffraction d’un faisceau monochromatique de rayons X par les plans réticulaires.
Le traitement à l’eau oxygénée réagit probablement sur la phase minérale du sédiment traité.
Pour vérifier cela, une diffraction aux rayons X a été effectuée sur le sédiment brut et le
sédiment traité (Figure 26).
Paramètre Sédiment brut Sediment traité
Carbone mineral (%) 2,05 2,03
84
Chapitre 2
L’analyse des diffractogrammes met en évidence la présence de Quartz (phase dominante), de
Calcite et d’Hematite comme principales phases dans les deux sédiments. Une légère
diminution d’intensité des piques de Quartz (Q) et de Calcite (Ca) dans le sédiment traité à l’eau
oxygénée par rapport à celle du sédiment brut. Cette légère différence peut être le résultat :
- D’une hétérogénéité dans la composition minéralogique de la phase minérale des
échantillons analysés.
- De l’interaction entre la phase minérale et l’eau oxygénée.
3.1.1.1.3. Spectrométrie de fluorescence des rayons X :
La spectrométrie de fluorescence des rayons X permet de déterminer la quantité
d’éléments chimiques présents dans les matériaux. Le spectre des rayons X émis par la matière
est caractéristique de la composition de l’échantillon, en analysant ce spectre, on peut en déduire
la composition élémentaire, c’est-à-dire les concentrations massiques en élément.
Le Tableau 12 présente les résultats de la spectrométrie de fluorescence des rayon X. Les
principaux éléments constituants la phase minérale des sédiments étudiés sont l’oxygène, le
silicium et le calcium, ce qui est en concordance avec les constituants minéralogiques identifiés
par l’essai de la diffraction aux rayons X.
0
50000
100000
150000
200000
250000
5 15 25 35 45 55 65 75 85
Q
Q
Q Q Q Q QQ Q QQ
Ca
He Ca Ca CaHe HeHeM
Q
Ca : Calcite Q: Quartz
He: Hematite M: Muscovite
Sédiment brut
Sédiment traité
M M
M M
Ca He
Q
M Ca
M He Q Q Q Q Q Q Q Q He Ca Ca M
Figure 26 : Analyse des diffractogrammes du sédiment brut et du sédiment traité.
85
Chapitre 2
Le sédiment traité avec l’eau oxygénée présente une proportion en oxygène plus importante
que celle présente dans le sédiment brut. D’autre analyses confirment cette augmentation de la
proportion de l’oxygène dans le sédiment traité et permettent de faire lien avec la diminution
en carbone total dans le matériau. Les autres éléments confirment les observations faites à la
diffraction aux rayons X, c’est-à-dire, une dominance de trois éléments, à savoir : Si, O, et Ca.
Pour les éléments minimes, il est très délicat d’en tirer des conclusions.
Tableau 12 : Résultats des analyses FX sur le sédiment brut et le sédiment oxydé.
Les résultats d’oxydation des MO avec l’eau oxygénée et les essais complémentaires effectués
sur les sédiments ont montré que cette méthode présente plusieurs inconvénients :
- En raison des volumes très conséquents de H2O2 utilisés pour une baisse moins
importante de teneur en MO (2,5 %) ;
- L’impact de traitement sur les phases cristallines du sédiment.
Elément Sédiment brut Sédiment traité
C (%) 7,56 5,66
O (%) 46,66 48,10
Na (%) 1,38 1,10
Mg (%) 0,92 0,90
Al (%) 3,23 3,60
Si (%) 21,80 19,50
P (%) 0,09 0,18
S (%) 1,20 1,60
Cl (%) 1,29 1,00
K (%) 1,10 1,10
Ca (%) 10,53 12,30
Ti (%) 0,18 0,18
Mn (%) Traces Traces
Fe (%) 3,60 4,30
Cu (%) Traces Traces
Zn (%) Traces Traces
Br (%) Traces Traces
Sr (%) Traces Traces
Zr (%) Traces Traces
Ba (%) Traces Traces
Pb (%) Traces Traces
Total 99,54 99,52
86
Chapitre 2
3.1.2. Séparation physique (Méthode du tri) :
Cette méthode de traitement consiste à faire un tri des particules de différentes densités
en lavant le sédiment. Après quelques minutes d’agitation, nous remarquons la montée en
surface d’une matière noire de densité faible. On prélève manuellement la matière noire et on
répète l’opération plusieurs fois (lavage + agitation + extraction) jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de
matière noire dans le sédiment (Figure 27).
Après séparation de la matière noire, cette dernière et le sédiment traité ont été calcinés selon
la norme XP P94-047 dans un four à une température de 450 °C pour une durée de 3 h. La
teneur en MO est calculée à partir des pesées effectuées. La valeur de la teneur en MO est
calculée selon l’Équation 1 :
𝐂𝐌𝐎𝐂 =𝟏
𝐧∑
(𝐦𝟏 −𝐦𝟐 )
(𝐦𝟏 −𝐦𝟎 ) Équation 1
Avec : n : nombre de creusets
m0 : masse creuset vide
m1 : masse creuset + échantillon avant calcination
m2 : masse creuset + échantillon calcinés
Les résultats de la calcination sont regroupés dans le Tableau 13 :
Figure 27 : Méthode du tri.
87
Chapitre 2
Tableau 13 : Résultats de calcination à 450 °C.
Les résultats obtenus montrent que la matière noire contient un pourcentage important de MO,
ce qui explique la baisse de la teneur en MO du sédiment traité (Figure 28).
Selon la norme ISO 13320, une granulométrie laser a été effectuée sur les trois matériaux
(Figure 29) pour étudier l’impact de cette méthode sur la composition granulométrique du
sédiment. D’après les courbes granulométriques, nous constatons que la composition
granulométrique du sédiment après traitement est totalement différente à celle du sédiment brut
(témoin).
Paramètre Sédiment brut Sédiment traité Matière noire
Teneur en MO (%) 8,02 2,51 73,19
Figure 28 : Texture de sédiment avant et après le traitement.
0
20
40
60
80
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Pa
ssa
nt
(%)
Taille des particules (µm)
Sédiment témoinSédiment traité (chercheur d'or)MO
Figure 29 : Courbes granulométriques du sédiment brut ( témoin), le
sédiment traité et la matière noire.
88
Chapitre 2
Dans le cadre de notre étude, cette méthode s’est vite avérée très difficile à mettre en place en
raison des volumes importants de matériaux nécessaires à l’étude de comportement mécanique
tel que l’essai Proctor.
3.2. Méthode d’amendement organique :
Les résultats obtenus par les méthodes d’élimination nous amènent à conclure que cette
méthodologie qui a pour but de supprimer, ou du moins, faire baisser la teneur en MO initiale
du sédiment semble présenter quelques limites. A partir de ce constat, nous avons été obligé de
nous orienter vers un autre type de méthodologie. Il s’agit de la méthode d’amendement
organique qui consiste à mélanger avec des proportions préalablement calculées un matériau de
teneur en MO faible avec un deuxième matériau riche en MO pour obtenir un troisième matériau
de teneur en MO souhaitée. Les caractéristiques du matériau organique seront présentées dans
la partie caractérisation des matériaux de l’étude.
Pour faire un parallèle avec l’étude sur le sédiment, nous avons utilisé, dans des travaux
complémentaires, un matériau inerte et faible en MO avec une granulométrie comparable à celle
du sédiment pour créer d’autres types de mélanges. Ce matériau inorganique sera également
présenté dans la partie caractérisation des matériaux de l’étude.
3.2.1. Stratégie de création des mélanges :
D’après le GTR [32], la présence de MO au-delà d’un certain taux dans les sédiments de
dragage leur confèrent des résistances mécaniques insuffisantes pour un emploi direct en
couche de chaussée. En effet, la teneur en MO des matériaux utilisés en couche de chaussée ne
doit pas dépasser 3 % et entre 5 % et 10 % pour les matériaux de remblai. De ce fait, les teneurs
en MO pour les mélanges du sédiment et les mélanges à base du matériau inorganique ont été
établies de telle sorte à balayer une large plage de teneur en MO :
- Pour les mélanges à base du sédiment : Trois autres matériaux à 10 % ; 12,5 % et
15 % de teneur en MO ont été créés (Figure 30).
- Pour les mélanges à base du matériau inorganique : Six autres matériaux à 2,5 % ;
5 % ; 7,5 % ; 10 % ; 12.5 % et 15 % de teneur en MO ont été créés (Figure 30). Ces
derniers mélanges sont utilisés pour conforter les résultats sur les mélanges à base du
sédiment et aussi permettre d’analyser les effets des MO sur les propriétés physiques et
mécaniques entre 0 % et 8 % de teneur en MO.
89
Chapitre 2
3.2.1.1. Mode opératoire de la création des mélanges du sédiment :
Selon l’essai normalisé de détermination de la teneur en MO (XP P94-047), le sédiment
présente une teneur en MO égale à 8,02 % et celle du matériau organique est égale à 42,13 %,
donc en associant les deux matériaux selon les données répertoriées dans le Tableau 14 nous
arrivons à créer des mélanges du sédiment à des teneurs en MO croissantes :
Tableau 14 : Données de formulation des mélanges du sédiment.
3.2.1.2. Mode opératoire de la création des mélanges du matériau
inorganique :
Selon l’essai normalisé de détermination de la teneur en MO (XP P94-047), le matériau
inorganique présente une teneur en MO de l’ordre de 1 % et celle du matériau organique aux
alentours de 42 %, donc en en associant les deux matériaux selon les données répertoriées dans
le Tableau 15 nous arrivons à créer des mélanges à des teneurs en MO croissantes :
Mélanges S 10 % S 12,5 % S 15 %
Masse sédiment (g) 100 100 100
Masse compost (g) 6,17 15,09 25,66
Masse totale (g) 106,17 115,09 125,66
Figure 30 : Matériaux reconstitués par méthode d'amendement organique.
90
Chapitre 2
Tableau 15 : Données de formulation des mélanges d'ASCal.
3.2.1.3. Vérification de la teneur en MO des mélanges :
Afin de nous assurer de l’exactitude des formulations crées, nous avons effectués une
vérification des teneurs en MO pour tous les mélanges en utilisant l’essai de calcination à
450 °C selon la norme XP P94-047. Les résultats de calcination sont répertoriés dans le
Tableau 16 :
Tableau 16 : Vérification de la teneur en MO des mélanges.
Bien que les formulations ont été créés sur la base des résultats obtenus de l’essai de calcination
(XP P94-047) sur les matériaux de l’étude (sédiment, ASCal, compost), nous observons des
différences modérées entre les valeurs de teneur en MO préalablement calculées pour la
formulation et celles déterminées par l’essai de calcination à 450 °C. Les raisons de cette
variabilité seront expliquées dans le chapitre III.
4. Matériaux de l’étude :
Après une pré-étude effectuée sur plusieurs matériaux en analysant différentes méthodes,
le choix définitif issu des travaux a été dressé sur trois matériaux : un sédiment marin, un
compost industriel et un déchet minéral de broyage.
Mélanges A 2,5 % A 5 % A 7,5 % A 10 % A 12,5 % A 15 %
Masse ASCal (g) 100 100 100 100 100 100
Masse compost (g) 3,09 10,01 17.93 27,07 37,75 50,40
Masse totale (g) 103,09 110,01 117,93 127,07 137,75 150,40
Mélanges Teneur en MO calculée (%) Teneur en MO mesurées (%)
S 10 % 10 9,82
S 12,5 % 12,5 13,7
S 15 % 15 16,9
A 2,5 % 2,5 2,3
A 5 % 5 4,9
A 7,5 % 7,5 7,6
A 10 % 10 10,4
A 12,5 % 12,5 13,4
A 15 % 15 15,9
91
Chapitre 2
4.1. Le sédiment marin :
Le sédiment de dragage utilisé dans cette étude provient du Grand Port Maritime de
Dunkerque (GPMD) (Figure 31). Ce dernier se situe sur la Mer du Nord, à 10 kilomètres de la
frontière belge, et à 40 kilomètres de Douvres, côté britannique. Le GPMD est un port côtier de
haute mer très proche du dispositif de séparation des trafics du Pas de Calais. Le dispositif de
séparation des trafics est le plus fréquenté du monde avec pas moins de 600 navires par jour.
Le GPMD est placé au troisième rang national au vu de son activité commerciale annuelle.
Le GPMD qui se compose de deux parties : le port Ouest et le port Est, s’étend sur 17 kilomètres
de façade en fond de mer avec une superficie d’environ 7000 hectares. Le port dispose de deux
entrées maritimes : la plus ancienne entrée située à l’est, accueille des navires de 14,2 mètres
de tirant d’eau et est contrôlée par des écluses. L’autre à l’ouest, plus récente, est soumise à la
marée et permet d’accueillir des navires ayant jusqu'à 22 mètres de tirant d’eau. En ce qui
concerne l’activité sédimentaire, environ 1,5 à 2 millions de tonnes de boues sont draguées
chaque année [30]. Le Port Ouest du GPMD est équipé d’un centre de traitement des sédiments
non immergeables.
Le centre de traitement se compose de trois lagunes de décantation, un bassin pour la
gestion des eaux et un dispositif de remplissage par refoulement hydraulique. Le centre de
traitement permet la décantation des sédiments dans de bonnes conditions. Son aménagement
a été prévu pour permettre l’intervention des machines de chantier pour le retournement des
andains et le chargement des vases asséchées. Le transfert de ces dernières vers les différentes
filières de valorisation se fait plus facilement via des camions (Figure 32).
Figure 31 : Localisation géographique des zones dragués et immergés du GPMD (Modifiée de [22].
92
Chapitre 2
Dans le cadre des travaux menés dans cette thèse, le programme expérimental a été réalisé
sur des sédiments provenant des trois lagunes de décantation. Les sédiments marins ont été
dragués et refoulés dans les bassins en 2014 et 2017. Ils ont été prélevés depuis les lagunes de
décantation du port ouest à la pelle à main à des profondeurs différentes par rapport à la surface,
puis homogénéisés, séchés à l’étuve, concassés et stockés dans des fûts hermétiques
(Figure 33).
Figure 33 : Préparation des sédiments de l'étude.
4.2. Le Compost industriel :
Comme expliqué dans la démarche scientifique de l’étude, la création de nouveaux
mélanges ayant des teneurs en MO croissantes nécessite l’utilisation d’un matériau riche en
MO. Le compost est un support de culture naturel formé de terre végétale enrichie de produits
Figure 32 : Centre de traitement des sédiments non immergeables – Port Ouest – GPMD –(Modifiée de [22]).
93
Chapitre 2
de décomposition (fumier, débris de végétaux décomposés, …) qui apportent les MO. Le
compost est une substance foncée, brune noirâtre et fragmentée (Figure 34).
Au vu de la nature hétérogène, variée est complexe des composants du compost (fumier, débris
de végétaux décomposés, …), il est nécessaire de préparer le matériau avant d’entamer les
essais de caractérisation. Trois étapes de préparation ont été effectuées sur le
compost (Figure 35) :
Séchage à l’étuve à une température de 40 °C pour des durées allant de 24 h à 48 h selon
la teneur en eau contenue dans le matériau. Cette étape est indispensable pour un
broyage efficace du matériau.
Broyage dans un blender : Le compost séché a été finement broyé jusqu’à l’obtention
d’une poudre facile à utiliser dans les essais et les formulations des différents mélanges
à teneurs en MO différentes.
Tamisage : Le matériau finement broyé a été ensuite tamisé en vue de l’élimination de
ses constituants à grains grossiers et pointus.
Figure 34 : Composition du compost.
Figure 35 : Préparation de compost.
94
Chapitre 2
4.3. Le déchet minéral (Argiles Silteuses Calcaires (ASCal)) :
La société des carrières du Boulonnais exploite sur Ferques (Département 62) le plus
grand site carrier de France (Figure 36). Il s’agit de près de 6 millions de tonnes par an de
granulats calcaires à destination du BTP et de l’industrie [106]. Or, près de la moitié de ces
granulats sont lavés pour satisfaire les spécifications des utilisateurs.
A l’issue de cette étape de lavage, sont générées environ 300 000 tonnes par an [106]. Les
Argiles Silteuses Calcaires (ASCal) se caractérisent par leur faible teneur en MO.
5. Caractérisation des matériaux de l’étude :
5.1. Caractérisation physique :
Les paramètres physiques mesurés sont en relation directe avec le secteur de valorisation
envisagé pour les sédiments de dragage. En effet, dans le domaine routier, un certain nombre
d’essais constitue un préalable pour classer les matériaux. Les essais de caractérisation
physique comportent la détermination de la teneur en eau, la distribution granulométrique, la
valeur au bleu méthylène (VBS), les limites d’Atterberg et la teneur en MO.
Figure 36 : Localisation du site de prélèvement des
ASCal.
95
Chapitre 2
5.1.1. Teneur en eau :
L’état hydrique du matériau est défini par sa teneur en eau. Cette dernière dépend du mode
d’extraction des sédiments, du mode de stockage et éventuellement du mode de traitement. La
teneur en eau W (%) est définie par le rapport de la masse de l’eau évaporée lors de l’étuvage
sur la masse des grains solides :
𝐖(%) =𝐌𝐚𝐬𝐬𝐞 𝐝𝐞 𝐥′𝐞𝐚𝐮 é𝐯𝐚𝐩𝐨𝐫é𝐞
𝐌𝐚𝐬𝐬𝐞 𝐝𝐞𝐬 𝐠𝐫𝐚𝐢𝐧𝐬 𝐬𝐨𝐥𝐢𝐝𝐞𝐬× 𝟏𝟎𝟎 Équation 5
Les mesures de la teneur en eau ont été réalisées selon la norme NF P 94-050 avec un séchage
en étuve à 105 °C. Le séchage en étuve est effectué sur des prises d’essai du sédiment et
d’ASCal séchées naturellement. Quant au compost, les mesures ont été effectuées sur le
matériau brut avant le broyage. Les résultats moyens obtenus sont reportés dans le Tableau 17 :
Tableau 17 : Mesure de la teneur en eau des matériaux de l’étude.
Comme indiqué dans le Tableau 17, on observe une homogénéité des mesures pour le même
matériau. Pour le sédiment de dragage, en raison du traitement in situ (séchage naturel dans les
casiers), il présente une faible teneur en eau par rapport à celle généralement mesurée sur des
sédiments fraichement dragués (> 100 %).
5.1.2. Analyse granulométrique :
L’analyse granulométrique constitue le premier paramètre d’entrée dans les tables de
classification des matériaux routiers tel que le GTR [32]. Cet essai permet essentiellement de
déterminer la grosseur et les pourcentages pondéraux respectifs des différentes familles de
grains d’un échantillon. Les techniques d’analyse granulométriques sont basées sur plusieurs
principes : séparation mécanique (tamisage) ou par l’intermédiaire d’un fluide, gaz ou liquide,
variation de résistance électrique, imagerie, diffraction ou absorption de rayonnements. Dans
cette étude, les analyses granulométriques ont été effectuées avec la méthode de granulométrie
au rayon laser.
Classification Sédiment ASCal Compost
N° de l’essai 1 2 3 1 2 3 1 2 3
W (%) 21,13 19,41 20,03 0,86 0,82 0,72 22,97 23,11 22,98
W moyenne (%) 20,19 0,80 23,02
96
Chapitre 2
5.1.2.1. Granulométrie au rayon laser :
Cet essai sert à mesurer le rayon des particules et à déterminer leur fréquence statistique
en fonction de leurs tailles. Cette technique permet d’identifier des particules avec des tailles
comprises entre 0,04 µm et 2000 µm. Le principe de l’essai est basé sur la diffraction de la
lumière. Il s’appuie sur la théorie de Fraunhofer qui utilise les hypothèses suivantes [107] :
- Considérer les particules sphériques non poreuses et non opaques. Ces particules ont un
diamètre supérieur à la longueur d’onde et sont animées d’un mouvement aléatoire.
- Les particules diffractent la lumière de la même efficacité indépendamment de leur
taille. Lorsqu’un faisceau laser éclaire une particule, on peut observer des franges de
diffraction. Selon Fraunhofer, l’intensité du rayonnement diffracté et l’angle de
diffraction sont en fonction de la taille des particules.
- Plus la particule est grosse, plus elle dévie les lumières, et plus l’angle de déviation par
rapport à la propagation sera faible.
Selon la norme ISO 13320, les échantillons ont été préparés pour l’essai comme décrit ci-
dessous :
- Les trois matériaux ont été tamisés à 1600 μm par voie humide. Le tamisât et l’eau de
lavage recueillis sont laissés décanter au moins 12 h. Le surnageant est siphonné sans
entraîner de particules.
Une prise d’échantillon de chaque matériau a été mise dans la cellule d’analyse granulométrique
à voie humide. La Figure 37 illustre les courbes granulométriques des échantillons. Les valeurs
obtenues résultent d’une moyenne de trois mesures. Il est important de signaler qu’aucun refus
n’a été mesuré pour les différents matériaux :
0
20
40
60
80
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Pa
ssa
nt
(%)
Taille des particules (µm)
Compost ASCal Sédiment
Figure 37 : Courbes granulométrique des matériaux de l’étude.
97
Chapitre 2
A partir des courbes granulométriques illustrées sur la Figure 37, il convient de noter que la
distribution granulométrique de tous les échantillons est répartie entre 0,4 μm à 1 mm. Les
granulométries réalisées sur les trois matériaux à voie sèche montrent qu’il y a une différence
de familles granulométriques pour les matériaux. En effet, le compost est globalement plus
grossier que les deux autres matériaux. Pour le sédiment et l’ASCal, une bonne concordance
est observée pour les particules de diamètre égal ou inférieur à 10µm (Tableau 18).
Tableau 18 : Récapitulatif des granulométries des matériaux de l’étude.
Le triangle des textures (Figure 38) nous permet de classer nos matériaux en fonction de leurs
familles granulométriques (Tableau 18). Le sédiment et l’ASCal sont classés comme étant des
sols fins limoneux et le compost comme étant un matériau « limoneux sableux ».
Classification Type de grains Sédiment ASCal Compost
Argile Grains<2 µm 20 24 2
Limon 2 µm < Grains < 63 µm 56 72 30
Sable 63 µm < grains 24 4 68
Figure 38 : Classification granulométrique des matériaux de l’étude.
98
Chapitre 2
5.1.3. Masse volumique des particules solides :
La masse volumique des particules solides est le quotient de la masse de ces particules
solides (mS) par leur volume solide (vS) (Équation 6) :
𝝆𝒔 =𝒎𝒔
𝒗𝒔 Équation 6
La masse volumique des particules solides a été déterminée selon la norme NF P 94-054 en
utilisant un pycnomètre à Hélium de type Accupyc 1330 (Micromeritics). Cet appareil vient
remplacer les pycnomètres à liquide avec l’avantage d’éviter le gonflement du matériau étudié
et donc permettre une détermination plus précise [108].
La Figure 39, illustre les mesures qui ont été effectuées sur les trois matériaux après avoir été
séchés à 40 °C et finement broyés.
La masse volumique des particules solides de l’ASCal est égale à 2,72 t/m3 tandis que
celle du sédiment est de l’ordre de 2,55 t/m3. On suppose que cette différence de masse
volumique est liée au fait que, les sédiments contiennent un pourcentage de MO plus important
que celui de l’ASCal. Cette supposition est confortée au regard de la valeur de la masse
volumique de l’amendement organique (1,92 t/m3). Le Tableau 19 illustre la moyenne des vingt
mesures effectuées sur les matériaux de l’étude :
1,4
1,8
2,2
2,6
3
0 5 10 15 20
ρs
(t/m
3)
Numéro d'essai
Figure 39 : Masse volumique des particules solides des matériaux de
l’étude.
99
Chapitre 2
Tableau 19 : Masse volumique des particules solides des matériaux de l’étude.
5.1.4. Détermination de la teneur en MO :
Dans cette partie, avant de réaliser une étude spécifique sur la mesure de la teneur en MO
dans les matériaux de l’étude, deux essais ont été sélectionnés pour déterminer la teneur en
MO :
La norme XP P94-047 : cette méthode dédiée aux sols consiste à mesurer la perte de
masse d'un échantillon préalablement séché, après calcination dans un four à une température
de 450 °C pour une durée de 3 h minimum. La teneur en MO est calculée à partir des pesées
effectuées. La valeur de la teneur en MO est calculée selon l’Équation 1 :
𝐂𝐌𝐎𝐂 =𝟏
𝐧∑
(𝐦𝟏 −𝐦𝟐 )
(𝐦𝟏 −𝐦𝟎 ) Équation 1
Avec : n : nombre de creusets
m0 : masse creuset vide
m1 : masse creuset + échantillon avant calcination
m2 : masse creuset + échantillon calcinés
La norme NF EN 15169 : Cette méthode est dédiée à la détermination du taux de MO
dans tous les types de déchets, boues et sédiments. Selon cette méthode, les échantillons séchés
sont chauffés dans un four à 550 °C pendant 1 h. La différence de masse avant et après le
processus de calcination est utilisée pour calculer la perte au feu. Le calcul est fait selon
l’Équation 1.
Pour réaliser ces essais, une prise d’échantillon de 30 g de chaque matériau a été séchée puis
finement broyée. Trois creusets de 5 g pour chaque échantillon ont été calcinés à 450 °C pour
une durée de 3 h selon la norme XP P94-047 et 550 °C durant 1 h selon la norme NF EN 15169.
Après avoir pesé les creusets calcinés et calculé les teneurs en MO selon l’Équation 1, les
valeurs obtenues sont présentées dans le Tableau 20 :
Paramètre Sédiment ASCal Compost
ρs (t/m3) 2,55 2,72 1,92
100
Chapitre 2
Tableau 20 : Teneur en MO des matériaux de l’étude.
L’analyse des données du Tableau 20 montre une bonne cohérence des résultats entre les
différents échantillons et les méthodes d’essais. Pour les résultats obtenus après une calcination
à 450 °C, le sédiment présente une perte de masse (attribuée à la décomposition des MO) de
l’ordre de 8 %. Cette valeur augmente à 10 % avec une température de calcination de 550 °C.
Pour l’ASCal, la mesure de la perte de masse après la calcination varie entre 1 % et 2 %. Pour
le compost, à 550 °C, la perte de masse après calcination est d’environ 66 %, ce qui fait de lui
un matériau très riche en MO.
5.1.5. Valeur au bleu de méthylène (VBS) :
L’essai au bleu de méthylène permet d’apprécier l’activité argileuse contenue dans le
matériau et permet sa classification selon le GTR [32]. L’activité argileuse entraine des
phénomènes de retrait-gonflement, de plasticité ou de cohésion voir des implications sur le
comportement chimique. L’essai est réalisé suivant la norme NF P94 068. La valeur au bleu de
méthylène exprime la quantité de bleu de méthylène absorbée par les particules argileuses d’un
sol. La valeur au bleu de méthylène est notée VBS et exprimée en gramme de bleu de méthylène
par gramme de matériau, tel que mentionné par l’Équation 7 :
𝐕𝐁𝐒 =𝐁
𝐦𝟎× 𝟏𝟎𝟎 Équation 7
Où : B : Masse de bleu de méthylène introduite (solution à 10 g/l) avec 𝐵 =𝑽
𝟏𝟎𝟎
m0 : Masse sèche de la prise d’essai avec 𝑚0 =𝒎𝒉𝟏
𝟏+𝑾
Classification Sédiment ASCal Compost
N° de l’essai 1 2 3 1 2 3 1 2 3
MO (%) [XP P94-047] 7,84 8,16 8,06 1,08 1,12 1,13 41,79 42,51 42,09
MO (%) moyenne [XP P94-047] 8,02 1,11 42,13
MO (%) [NF EN 12879] 10,76 10,63 10,26 2,36 2,45 2,42 65,43 66,01 65,30
MO (%) moyenne [NF EN 12879] 10,55 2,41 65,58
101
Chapitre 2
Les valeurs du bleu de méthylène pour le sédiment, l’ASCal et le compost sont faibles et
comparables (Figure 40). Ce qui permet d’affirmer que l’activité des argiles est faible
(Figure 41).
Pour illustration, la Figure 41 montre les seuils de classification des sols définis dans le GTR
[32] en fonction de la valeur au bleu de méthylène :
5.1.6. Limites d’Atterberg :
En 1911, l’ingénieur agronome suédois Atterberg a défini les limites de teneur en eau qui
séparent le passage du sédiment d’un état de consistance à un autre. Ces teneurs en eau
particulières sont appelées limites de consistance ou limite d’Atterberg (Figure 42).
1,09
1,42
1,03
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
VB
S (
g/1
00
g d
e M
.S)
Sédiment ASCal Compost
Figure 40 : Les valeurs de VBS pour les matériaux de l’étude.
Figure 41: Classification des matériaux de l’étude en fonction de leur valeur au bleu de méthylène [32].
Figure 42 : Les états de consistance d’un sédiment.
102
Chapitre 2
L’essai de limites d’Atterberg est considéré comme un élément important d’identification des
sols, qui permet déjà de prévoir certaines propriétés et déterminer les différents états de
consistances. Cet essai est effectué selon la norme Française NF P94-051.
- Limite de liquidité (WL) : Teneur en eau d’un sol remanié au point de transition entre
l’état liquide et l’état plastique.
- Limite de plasticité (WP) : Teneur en eau d’un sol remanié au point de transition entre
l’état plastique et l’état solide.
- Indice de plasticité (IP) : Différence entre les limites de liquidité et de plasticité
(Équation 8). Cet indice définit l’étendue du domaine plastique.
𝐈𝐏 = WL WP Équation 8
5.1.6.1. Limite de liquidité :
N’ayant pas pu effectuer l’essai sur le compost, au vu de la nature de ses composants
(présence de débris végétaux décomposés), l’essai de limite de liquidité est effectué sur le
sédiment et l’ASCal.
Après échantillonnage et homogénéisation des matériaux de l’étude, une masse m égale à 250 g
de chaque matériau a été mise à imbiber dans un récipient d’eau à la température ambiante,
pendant 24 h. Une fois imbibés, les matériaux sont tamisés par voie humide au tamis de 400 μm.
L’eau de lavage et le tamisât sont recueillis dans un bac. Après une durée de décantation de
24 h, l’eau claire du bas est siphonnée sans entrainer de particules solides et la totalité du tamisât
est malaxée afin d’obtenir une pâte homogène et presque fluide.
A l’aide d’une spatule, une masse d’environ 70 g de pate (tamisât de chaque matériau) a été
étalée dans la coupelle d’une façon symétrique en plusieurs couches afin d’éviter d’emprisonner
des bulles d’air. La pâte recouvre le fond de la coupelle sauf une partie d’environ 3 cm. Une
rainure a été réalisée au milieu de la coupelle sur la pâte étalée. Une série de chocs à la cadence
de 2 coups par seconde a été actionnée sur la coupelle. Ensuite, on note le nombre de chocs
pour laquelle la rainure effectuée sur le matériau se ferme sur une longueur de 1cm, La valeur
de WL (%) convient par définition à la teneur en eau qui correspond à une fermeture de 1 cm à
25 coups. Les valeurs de WL (%) des matériaux étudiés sont illustrées dans la Figure 44 :
103
Chapitre 2
Les résultats de la Figure 43 montrent une différence notable entre la limite de liquidité du
sédiment (WL= 43 %) et l’ASCal (WL= 28 %).
5.1.6.2. Limite de plasticité :
La limite de plasticité WP (%) est déterminée par la méthode du rouleau et définie comme
la teneur en eau du cylindre qui se brise en 2 ou 3 morceaux au moment où son diamètre atteint
3 mm. N’ayant pas pu effectuer l’essai sur le compost, au vu de la nature de ses composants
(présence de débris végétaux décomposés), l’essai du rouleau est effectué uniquement sur le
sédiment et l’ASCal. La valeur de WP (%) est égale à la moyenne de trois séries d’essais
(Tableau 21).
Tableau 21 : Valeurs de limite de plasticité pour le sédiment et l’ASCal.
Les résultats du Tableau 21 montrent aussi une différence notable entre la limite de plasticité
des deux matériaux (sédiment et ASCal).
Paramètres Sédiment ASCal
N° de l’essai 1 2 3 1 2 3
WP (%) 32,4 32,5 31,4 21,8 21,6 21,1
WP (%) moyenne 32,1 21,5
20
25
30
35
40
45
50
5 25
Ten
eu
r e
n e
au
(%
)
Nombre de coups
ASCal
Sédiment
Figure 43 : Limite de liquidité du sédiment et l’ASCal.
104
Chapitre 2
5.1.6.3. Indice de plasticité :
L’indice de plasticité IP (%) caractérise l’étendue de la zone ou le sol étudié a un
comportement plastique. Il s’exprime donc par la relation (Équation 8) :
𝐈𝐏 = WL WP Équation 8
Selon le guide de terrassement routier (GTR) [32], l’indice de plasticité est considéré comme
l’un des paramètres clés nécessaires pour la classification des sols. En effet, l’indice de plasticité
présage les risques de déformation du matériau. Aussi, lorsque l’indice de plasticité d’un
matériau est grand, on observe que ce matériau peut-être très sensible aux conditions
atmosphériques (gonflement par humidification de la terre et retrait par dessiccation important).
Les valeurs de l’indice de plasticité du sédiment et l’ASCal sont répertoriées sur le Tableau 22 :
Tableau 22 : Limite de plasticité du sédiment et l’ASCal.
Même si les valeurs de WL (%) et WP (%) pour les deux matériaux sont notablement différentes,
la valeur de l’indice de plasticité IP (%) pour les deux matériaux est comparable.
5.1.7. Surface spécifique (Méthode BET) :
La surface spécifique est le rapport entre la surface d’un solide et sa masse ou son volume.
La valeur de la surface spécifique d’un matériau dépend de la méthode de mesure utilisée. Les
surfaces spécifiques des matériaux étudiés ont été déterminées avec la méthode BET. Cette
méthode est basée sur la détermination de la quantité de gaz d’adsorption nécessaire pour
couvrir la surface externe du solide et celle de ses pores internes accessibles par une
monocouche complète d’adsorbat. La norme NF EN ISO 18757 détaille le matériel utilisé et le
mode opératoire.
Les mesures de surface spécifique BET sont présentées dans le Tableau 23 :
Tableau 23 : Surface spécifique BET des matériaux de l’étude.
Paramètres Sédiment ASCal
WL (%) 43 28
WP (%) 32,1 21,5
IP (%) 10,9 6,5
Paramètres Sédiment ASCal Compost
Surface Spécifique (BET) (m²/g) 6,7 9,5 0,9
105
Chapitre 2
La comparaison des valeurs de surface spécifique obtenue pour le sédiment et l’ASCal montrent
une tendance similaire, tandis que le compost présente à nouveau une valeur plus petite.
5.2. Caractérisation chimique :
5.2.1. Détermination du pH :
La détermination du pH a été effectuée à l’aide d’un pH-mètre selon la norme NF EN
15933. Une prise d'essai de 5 g de chaque matériau a été mise en contact avec 25 ml d’eau
distillée. A l’aide d’une table d’agitation les solutions ont été agitées pendant 1 h, puis nous les
avons laissées décanter pendant 1 h. Avant de mesurer le pH des matériaux, un étalonnage est
réalisé à l’aide de solutions de pH connues encadrant la valeur à déterminer. Les mesures du
pH sont présentées dans le Tableau 24 :
Tableau 24 : Valeurs du pH des matériaux de l’étude.
Les valeurs du pH pour le sédiment et l’ASCal sont comparables, tandis que le compost présente
un pH acide.
5.2.2. Détermination de la conductivité électrique :
Les mesures de la conductivité électrique des matériaux ont été effectuées avec un
conductimètre selon la norme XP CEN/TS 15937. Le mode opératoire de cet essai consiste à :
- Prélever une prise d'essai de 5 g sur chaque matériau et la mettre dans un flacon ;
- Ajouter 25 ml d’eau distillée à chaque prise d’échantillon ;
- Mettre les solutions en agitation pendant 1 h ;
- Laisser décanter les solutions pendant 1 h ;
- Enfin, prendre les mesures de la conductivité électrique.
Les mesures de la conductivité électrique présentées dans le Tableau 25 :
Paramètres Sédiment ASCal Compost
pH 8,1 8,4 5,3
106
Chapitre 2
Tableau 25 : Valeurs de la conductivité électrique des matériaux de l’étude.
Le sédiment présente une conductivité électrique plus importante que celles de l’ASCal et le
compost. En effet, mesurer la conductibilité électrique permet de savoir s'il y a des électrolytes
dans la solution du matériau analysé. Le pH du sédiment se situe vers les extrémités de l'échelle
de pH (Tableau 24) ce qui explique le fait qu’il y ait beaucoup d'électrolytes présents dans la
solution du sédiment et par conséquent la solution du sédiment aura une forte conductibilité
électrique (Tableau 25).
5.3. Analyse minéralogique :
Une bonne connaissance des minéraux présents dans les échantillons étudiés est
indispensable pour mieux connaître le matériau et anticiper l’influence de certains minéraux
qui risquent d’engendrer des problèmes dans le processus de valorisation. Dans cette partie,
nous effectuerons des analyses de spectrométrie de fluorescence des rayon X et de la diffraction
aux rayons X :
5.3.1. Spectrométrie de fluorescence des rayons X :
La spectrométrie de fluorescence des rayons X permet de déterminer la quantité des
constituants minéralogiques présents dans les matériaux de l’étude. Le spectre des rayons X
émis par la matière est caractéristique de la composition de l’échantillon, en analysant ce
spectre, on peut en déduire la composition élémentaire, c’est-à-dire les concentrations
massiques en élément. Les proportions des différents éléments sont obtenues en associant les
proportions des autres éléments mesurés par fluorescence des rayon X au pourcentage de
carbone total (calculé selon l’Équation 9) :
𝐂𝐓𝐎𝐓𝐀𝐋 = 𝐂𝐌𝐢𝐧é𝐫𝐚𝐥 + 𝐂 𝐨𝐫𝐠𝐚𝐧𝐢𝐪𝐮𝐞 Équation 9
Avec : CMinéral : Carbone minéral calculé avec l’essai ATG
COrganique : Carbone organique calculé selon la norme NF ISO 10694
Paramètres Sédiment ASCal Compost
Conductivité électrique (mS/cm) 8,2 1,6 3,5
107
Chapitre 2
Les résultats d’analyse sont présentés dans le Tableau 26 :
Tableau 26 : Résultats de l’analyse par fluorescence X pour le sédiment et l’ASCal.
L’analyse du Tableau 26 met en évidence la présence de Quartz (phase dominante) pour le
sédiment et de Calcite (phase dominante) pour l’ASCal.
5.3.2. Diffraction aux rayons X :
Cet essai consiste à déterminer les minéraux par diffraction aux rayons X, en utilisant un
diffractomètre muni d’un monochromateur à anticathode de cuivre qui sert à émettre la
radiation Kα du cuivre. En se référant à la loi de Bragg, cet essai utilise la propriété de la
diffraction d’un faisceau monochromatique de rayons X par les plans réticulaires. N’ayant pas
pu effectuer l’essai sur l’amendement organique, au vu de la nature de ses composants (présence
de débris végétaux décomposés), la détermination des phases cristallines par diffraction aux
rayons X est effectuée uniquement sur le sédiment et l’ASCal (Figure 44).
Elément Sédiment ASCal
C (%) 7,56 3,10
O (%) 46,66 53,29
Na (%) 1,38 Traces
Mg (%) 0,92 0,77
Al (%) 3,23 4,55
Si (%) 21,80 7,94
P (%) 0,09 Traces
S (%) 1,20 Traces
Cl (%) 1,29
K (%) 1,10 0,77
Ca (%) 10,53 27,71
Ti (%) 0,18 0,19
Mn (%) Traces
Fe (%) 3,60 1,55
Cu (%) Traces
Zn (%) Traces
Br (%) Traces
Sr (%) Traces Traces
Zr (%) Traces Traces
Ba (%) Traces
Pb (%) Traces
Total 99,54 99,87
108
Chapitre 2
L’analyse des diffractogrammes obtenus pour les matériaux de l’étude, met en évidence la
présence de Quartz (phase dominante), de Calcite et d’Hematite comme principales phases dans
le sédiment. Pour l’ASCal, on note la phase dominante la Calcite, on observe la présence de
Quartz, Kaolinite et de Muscovite.
5.4. Caractérisation environnementale :
En plus des caractéristiques physiques et mécaniques nécessaires pour étudier
l’acceptabilité d’un sous-produit ou d’un déchet comme matériau alternatif en technique
routière, le comportement environnemental du matériau représente le paramètre impératif à
identifier.
5.4.1.1. Essai de lixiviation :
Cet essai permet d’évaluer la fraction mobilisable et la quantité d’éléments traces
relargués suivant la norme NF EN 12457-2. Cet essai a été effectué à l’état initial sur
l’échantillon avec un rapport L/S = 10 (la quantité d’eau initiale du sédiment est retirée de la
quantité d’eau nécessaire). La solution récupérée du sédiment a été analysée par ICP-AES
(Inductivety Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry) pour identifier les éléments
traces métalliques. Les chlores et les sulfates ont été identifiés par chromatographie ionique.
Les résultats de l’essai de lixiviation sont présentés dans le Tableau 27.
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
5 15 25 35 45 55 65 75 85
Q
Q
Q Q Q Q Q Q Q QQCa
Ca Ca Ca CaHe HeHeOO
Ca : Calcite Q: Quartz
He: Hematite O: Orthoclase K: Kaolinite
M: Muscovite
Ca
Ca Ca Ca Ca Ca CaCa Ca Ca
Q
Q Q QQ Ca CaK K K K K K KM M M M M
Sédiment
ASCal
Figure 44 : Phases cristallines du sédiment et l’ASCal.
109
Chapitre 2
Tableau 27 : Valeurs limites en lixiviation niveau 1 ( permettant de justifier l’utilisation des sédiment en
technique routière.
D’après les résultats de l’essai de lixiviation (Tableau 27), on constate que les valeurs du
sédiment ne dépassent pas les seuils du niveau 1 définis par le guide d’acceptabilité des
matériaux alternatifs en technique routière. Pour les limites à respecter pour une utilisation en
technique routière, les résultats sont inférieurs aux seuils.
5.5. Comportement mécanique :
L’identification du comportement mécanique des matériaux de l’étude consiste à
déterminer leur aptitude au compactage, leur capacité de portance, leur aptitude au tassement
et leur résistance au cisaillement. Ces caractères sont considérés comme étant les plus
importants vis-à-vis de la filière de valorisation visée dans cette étude (les travaux routiers).
5.5.1. Caractérisation de compactage et de portance :
L’opération de compactage a pour effet de réduire les tassements du sol, augmenter sa
portance, accroitre sa résistance au cisaillement et améliorer son comportement sous l’action
de l’eau.
Elément
Quantité relarguée cumulée à L/S= 10 l/kg ( Essai de lixiviation) NF EN 12457-2
Valeurs en (mg/kg de MS) pour le
sédiment Valeurs limites à ne pas dépasser en lixiviation
pour la valorisation en Technique routière
As 0,08 2
Ba 0,8 100
Cd 0,0025 1
Cr <0,001 10
Cu 0,56 50
Mo 0,39 10
Ni <0,012 10
Pb <0,006 10
Sb 0,06 0,7
Se 0,13 0,5
Zn <0,003 50
F <2 150
Cl 4567 15000
SO4-2 6247 20000
HAP 3,70 50
PCB 0,08 1
110
Chapitre 2
5.5.1.1. Essai Proctor normal et l’Indice de Portance Immédiat :
En France, l’essai fait l’objet de la norme NF P94-093. Il consiste à compacter suivant
un processus bien précis un sol en plusieurs couches dans un moule puis à mesurer sa teneur en
eau W (%) et sa densité sèche ρd (t/m3). La courbe ρd = f(w) présente un maximum qui
correspond à la teneur en eau et la densité optimale de compactage (WOPN et ρdOPN).
Pour cet essai, on utilise un moule en acier appelé « moule CBR », placé sur une embase et
muni d’une rehausse. Un disque d’espacement est disposé au fond du moule. Les différentes
pièces étant assemblées, le matériau, préalablement malaxé avec une certaine quantité d’eau,
est introduit dans le moule en 3 couches (Figure 45).
Entre chaque ajout, on procède à un compactage de la couche avec une dame d’une énergie
égale à 5 N.cm/cm3 en respectant le protocole suivant : 56 coups par couche, appliqués par
séries de 7 (Figure 46). A la fin de l’essai, la rehausse est retirée et on arase la surface du moule.
Connaissant sa masse et son volume (dimensions normalisées : D = 152 mm ; H = 126,6 mm),
on peut déterminer la masse volumique humide ρh du matériau compacté. La teneur en eau,
obtenue par étuvage à 40 °C, permet ensuite de calculer sa masse volumique sèche ρd. En faisant
varier les teneurs en eau, on trace la courbe ρd = f(w) et on détermine son maximum.
N’ayant pas pu effectuer l’essai sur le compost, au vu de la nature de ses composants (présence
de débris végétaux), l’essai Proctor normal a été effectué sur le sédiment et l’ASCal. Les
courbes de compactage selon l’essai Proctor normal sont illustrées sur la Figure 46 (a).
Figure 45 : Mode opératoire de l’essai Proctor normal.
111
Chapitre 2
Des mesures de poinçonnement sur les éprouvettes compactées du sédiment et de l’ASCal sont
réalisées afin d’estimer la capacité de portance en calculant l’Indice de Portance Immédiat (IPI)
selon la norme NF P 94 078. L’IPI permet d’évaluer l’aptitude d’un matériau à supporter
directement sur sa surface la circulation des engins de chantier.
L’analyse des résultats expérimentaux illustrés sur la Figure 46 (a) montre que le sédiment
présente une teneur en eau à l’optimum Proctor normal (WOPN) égale à 20,2 % avec une densité
sèche à l’optimum Proctor normal (ρdOPN) de 1,63 (t/m3). Pour l’ASCal, la valeur de WOPN est
de 15,3 % et ρdOPN est égale à 1,87 t/m3. La capacité de portance exprimée par l’indice de
portance immédiat (IPI) est de l’ordre de 17 % pour le sédiment et 18 % pour l’ASCal
(Figure 46 (b)).
5.5.1.2. Essai Proctor Modifié et l’Indice de Portance Immédiat :
L’utilisation de matériaux en couche de fondation nécessite, tout d’abord, l’identification
de leurs paramètres de compactage suivant l’essai Proctor Modifié.
Cet essai est réalisé sur 5 échantillons de chaque matériau (préalablement malaxés avec une
certaine quantité d’eau) est introduit dans le moule en 5 couches. Entre chaque ajout, on procède
à un compactage de la couche avec une dame et une énergie égale à 24 N.cm/cm3 en respectant
le protocole suivant : 56 coups par couche, appliqués par séries de 7.
Figure 46 : (a) Courbes Proctor normal du sédiment et d’ASCal ; (b) Courbes d’IPI du sédiment et
d’ASCal.
1,30
1,50
1,70
1,90
2,10
5 10 15 20 25 30 35
Den
sité
séc
he ρ
d(t
/m3)
Teneur en eau (%)
Sédiment Sr (Sédiment)=1
Sr (ASCal)=1 ASCal
(a)
0
5
10
15
20
25
30
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
Teneur en eau (%)
Sédiment ASCal
(b)
100 % 100 %
112
Chapitre 2
Après avoir effectué le compactage sur le sédiment et l’ASCal selon l’essai Proctor Modifié,
les mesures de l’IPI ont été prises sur les éprouvettes compactées selon la norme NF P 94 078.
Les résultats du compactage et de portance sont présentés sur la Figure 47.
A partir de la Figure 47 (a), le sédiment présente une teneur en eau à l’optimum Proctor Modifié
(WOPM) égale à 18 % et avec une densité sèche à l’optimum Proctor Modifié (ρdOPM) de
1,7 (t/m3). Pour l’ASCal, la valeur de WOPM est de 10 % et ρdOPM est égale de 2,1 t/m3. La
capacité de portance exprimée par l’indice de portance immédiat (IPI) est de l’ordre de 23 %
pour le sédiment et 22 % pour l’ASCal (Figure 47 (b)).
5.5.2. Compressibilité et résistance au cisaillement :
5.5.2.1. Préparation des échantillons :
Afin de caractériser le comportement mécanique des matériaux de l’étude, par des essais
œdométriques et de cisaillement, de par leur état initial, une préparation des matériaux est
nécessaire afin d’obtenir des matériaux assez fermes, par l’application de charges modérées,
pour accélérer la consolidation des matériaux. Ainsi, les échantillons peuvent être taillés aux
dimensions requises pour chaque essai et ne se déforment pas sous leur poids propre. Une
Figure 47 : (a) Courbes Proctor Modifié du sédiment et d’ASCal ; (b) Courbes d’IPI du sédiment et d’ASCal.
1,30
1,50
1,70
1,90
2,10
5 10 15 20 25 30 35
Den
sité
séc
he ρ
d(t
/m3)
Teneur en eau (%)
Sédiment Sr (Sédiment)=1
Sr (ASCal)=1 ASCal
(a)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
Teneur en eau (%)
Sédiment ASCal
(b)
100 % 100 %
113
Chapitre 2
première méthode de préparation a été testée sur les matériaux de l’étude, cette méthode
consiste à pré-consolider les échantillons dans un consolidomètre cylindriques en plexiglass de
diamètre 70 mm qui permet un drainage par le bas et par le haut (Figure 48).
Cette première méthode de préparation des échantillons a été également utilisée dans d’autres
travaux de recherche tels que dans l’étude de Dubois et al. [33]. La procédure de préparation
des échantillons consiste à :
- Réaliser une bonne homogénéisation des échantillons par un malaxage mécanique
pendant une heure avec un malaxeur spécifique ;
- Pour une bonne mise en place des matériaux dans les consolidomètre, leur teneur en eau
doit être égale à 1,5 leur WL (%) ;
- Vérifier la teneur en eau des échantillons homogénéisés au moment du remplissage ;
- Peser les consolidomètres avant et après remplissage des matériaux ;
- Mettre en place les matériaux en plusieurs couches afin de permettre aux bulles d’air
dans le matériau de s’évacuer ;
- Les consolidomètres sont remplis au ¾ de leur hauteur totale afin d’éviter la perte de
matériau au moment d’exercer la contrainte unidimensionnelle et également pour
Figure 48 : Composition du consolidomètre.
114
Chapitre 2
obtenir des échantillons assez fermes et grands pour réaliser les essais mécaniques
(Figure 49) ;
- Appliquer un programme de chargement sur les échantillons en débutant par appliquer
une contrainte égale à la pression exercée par le piston du consolidomètre, puis on
augmente la contrainte selon des incréments de pression fixés à chaque palier au double
de la pression précédente pour enfin atteindre une contrainte supérieure à la pression de
pré-consolidation estimée à 100 kPa. Le nouveau palier de chargement ne peut
commencer que lorsque le tassement dû au précèdent chargement ne soit stabilisé. Le
tassement peut durer entre un jour et plusieurs jours. Cela dépend du type de matériau
et la pression exercée.
Plusieurs problèmes ont été constatés pendant le déroulement de cette première méthode :
- La durée très importante pour l’obtention d’un échantillon homogène et ferme ;
- La quantité parfois insuffisante de matériau consolidé.
Figure 49 : La procédure de préparation des échantillons par pré-consolidation.
115
Chapitre 2
Au vu des nombreux problèmes que pose cette méthode de préparation, nous avons opté pour
une seconde méthode. Cette dernière consiste à utiliser l’énergie de compactage Proctor normal
pour consolider les matériaux afin d’avoir rapidement des échantillons homogènes et fermes.
Les échantillons peuvent être taillés aux dimensions requises pour chaque essai. Cette méthode
de préparation est effectuée suivant trois étapes (Figure 50) :
Etape 1 : Préparation des matériaux à une teneur en eau égale à 95 % du ρdOPN
(Figure 51).
Etape2 : Compactage des matériaux et vérification de ρdOPN (t/m3) et WOPN (%) ;
Etape 3 : Prélèvement des échantillons et mise en place des cellules.
Figure 50 : Les étapes de préparation des échantillons pour l’essai œdométrique.
116
Chapitre 2
5.5.2.2. Essai œdométrique :
L’essai œdométrique est effectué selon la norme XP P94-090-1. Il permet le suivi du
tassement d’un matériau en fonction d’un chargement progressif.
L’analyse de la courbe 𝑒 = log (𝜎′) permet de déterminer la pression de pré consolidation σ’P,
l’indice de compression CC et l’indice de recompression CS.
Les paliers de chargement ont été définis en accord avec la norme XP P94-090-1. Les phases
de chargement et déchargement appliquées sont comme suit :
- Une première phase de chargement, avec des incréments de pression fixés à chaque
palier au double de la pression précédente pour enfin atteindre une contrainte supérieure
à la pression de pré-consolidation estimée à 533 kPa (Tableau 28). Les paliers sont :
1,8 kPa ; 37,5 kPa ; 75 kPa ; 150 kPa ; 300 kPa et 600 kPa ;
- Une phase de décharge, jusqu’à 150 kPa en suivant les mêmes incréments de pression ;
- Un rechargement, avec les mêmes incréments de pression jusqu’à 1200 kPa ;
- Le déchargement jusqu’à 150 kPa en suivant les incréments de pression fixés à chaque
phase, c’est à dire 1200 kPa ; 600 kPa ; 300 kPa et 150 kPa.
Figure 51 : La teneur en eau utilisée pour le compactage.
Compactage
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
14 16 18 20 22 24 26 28
Den
sité
sèc
he
ρd (
t/m
3)
Teneur en eau W (%)
ρd opn
(t/m3)
95% ρd opn
(t/m3)
Wop
n (
%)
117
Chapitre 2
Tableau 28 : Contraintes de compactage ( Proctor normal et Proctor Modifié).
A partir des résultats de mesures présentés sur la Figure 52, on remarque des allures assez
comparables de courbes œdométriques, d’indices de compression et d’indices de
recompression.
A partir de la Figure 52, les valeurs de CC, CS et σ’P sont répertoriées sur le Tableau 29 :
Tableau 29 : Résultats des essais œdométriques sur le sédiment et l’ASCal.
Masse de la
dame (kg)
Hauteur
de chute
(cm)
Nombre de
coups
Par couche
Nombre
de
couches
Energie de
Compactage
kJ/m3
Essai
Proctor
Normal 2,490 30,50
25 (Moule
Proctor) 3 587
56 (Moule
CBR) 3 533
Modifié 4,540 45,70
25 (Moule
Proctor) 5 2680
56 (Moule
Proctor) 5 2435
Elément Sédiment ASCal
Indice des vides initial (e0) 0,56 0,46
σ’P (KPa) 60 50
CC 0,162 0,11
CS 0,017 0,012
0,3
0,4
0,5
0,6
1 10 100 1000 10000
Ind
ice d
es
vid
es
(e)
Log (kPa)
Sédiment ASCal
Figure 52 : Courbes œdométriques du sédiment et l'ASCal.
118
Chapitre 2
A partir des résultats du Tableau 29, on peut observer que les contraintes de pré consolidation
sont comprises entre 50 kPa et 60 kPa. Ces valeurs restent très faibles par rapport à la valeur de
la contrainte exercée pendant le compactage ainsi que pendant l’essai œdométrique. Pour
l’indice de compression, on enregistre des valeurs comprises entre 0,11 et 0,16 et enfin pour
l’indice de recompression, on observe des valeurs comprises entre 0,012 et 0,017. Sur le
Tableau 30, on observe que les valeurs de CC et CS de cette présente étude sont comparables
avec celles enregistrées par Khezami [109] et Wang [110] sur deux sédiments marins de
GPMD. Or, pour l’indice des vides et la pression de pré-consolidation, les valeurs varient du
simple au double.
Tableau 30 : Résultats des essais œdométrique pour le sédiment de GPMD.
5.5.2.3. Résistance au cisaillement :
Dans toute étude de stabilité des pentes naturelles et de talus la résistance du sol au
cisaillement doit être connue. L’essai consiste à appliquer un effort de cisaillement à un
échantillon placé dans une boîte, constituée de deux demi boîtes indépendantes. La boîte est
placée sur un bâti et après avoir désolidarisé les deux demi-boîtes, en enlevant les vis de
jonction, un moteur permet l’entraînement du dispositif de déplacement latéral, qui permet de
déplacer la demi-boîte inférieure, alors que l’autre demi-boîte reste fixe.
Le cisaillement est appliqué selon un plan horizontal, et la force de cisaillement est mesurée en
continu. L’étude de la résistance au cisaillement direct d’un sol comprend au minimum trois
essais à des contraintes normales différentes, permettant de suivre l’évolution des résistances
au cisaillement en fonction de contraintes axiales choisies.
Les essais à la boîte de Casagrande ont été réalisés à contraintes normales fixées de : 150 kPa ;
300 kPa et 600 kPa, permettant de se placer dans le domaine normalement consolidé. Les essais
ont été réalisés avec une vitesse de déplacement de 0,9 mm/min sur le sédiment et l’ASCal.
Avant le cisaillement, les échantillons ont été préparés suivant les mêmes étapes que pour
l’essai œdométrique.
Matériaux e0 σ’P (KPa) CC CS
Sédiment (cette étude) 0,56 60 0,162 0,017
Sédiment GPMD étudié par Khezami [109] 1,01 35,48 0,154 0,012
Sédiment GPMD étudié par Wang [110] 1,34 34,10 0,190 0,019
119
Chapitre 2
L'analyse des résultats de l'essai de cisaillement direct est présentée sur la Figure 53(a) et
Figure 53 (b). La forme des courbes de cisaillement direct est globalement similaire pour tous
les échantillons testés (Figure 53 (a)).
Il est à noter que la forme des courbes de cisaillement des matériaux testés correspond à celle
des échantillons normalement consolidés. Pour extraire les paramètres liés à la résistance au
cisaillement, un graphique de la contrainte de cisaillement par rapport à la contrainte normale
effective correspondant à la rupture est présenté sur la Figure 53 (b).
A partir des résultats obtenus, on observe que la cohésion effective est presque égale à zéro.
Les valeurs d’angle de frottement interne (φ’) pour le sédiment et l’ASCal sont comparables à
des valeurs classiques de matériaux fins (Tableau 31).
Tableau 31 : Les valeurs de l’indice des vides, la cohésion et l’angles de frottement du sédiment et l’ASCal.
On peut noter des valeurs de (φ’) d’ASCal sont moins importantes que celles du sédiment. La
teneur en MO différentes des deux matériaux pourrait expliquer cette différence.
Elément Sédiment ASCal
Indice des vides initial (e0) 0,56 0,48
C’(kPa) 0 0
φ' (°) 24,27 20,11
(a) τ = 0,45 σ + 0,001R² = 0,99
τ = 0,36 σ - 0,01
R² = 1,00
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
τ(M
Pa
)
σ (MPa)
Sédiment ASCal
(b)
σ'= 0.6 MPa (ASCal)
σ'= 0.3 MPa (Sédiment)
σ'= 0.3 MPa (ASCal)
σ'= 0.15 MPa (Sédiment)
σ'= 0.15 MPa (ASCal)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 2 4 6 8 10 12 14
τ(M
Pa
)
Déformations horizontales (mm)
σ'= 0.6 MPa (Sédiment)
Figure 53 : (a) Courbes de résistance au cisaillement en fonction du déplacement horizontal pour le sédiment et
l’ASCal; (b) la résistance au cisaillement en fonction de la contrainte normale pour le sédiment et l’ASCal.
120
Chapitre 2
5.6. Classification des matériaux de l’étude :
Les résultats obtenus à partir des essais de caractérisation physique et mécanique nous
permettent de classer les matériaux de l’étude selon les systèmes de classification évoqués dans
le chapitre I. Le récapitulatif des résultats obtenus sont présentés dans le Tableau 32 :
Tableau 32 : Tableau récapitulatif des résultats des essais de caractérisation physiques et mécaniques.
Selon le système de classification AASHTO, le sédiment est classé comme étant un sol
argileux. Cette classification prend en compte les caractéristiques présentées par le sédiment en
terme de distribution granulométrique. Quant à l’ASCal, selon l’AASHTO, ce matériau est
classé comme étant un sol limoneux (Tableau 33).
Le système de classification USCS classe le sédiment et l’ASCal comme étant un organique
Elément Sédiment ASCal
W (%) 20,19 0,80
Grains<2 µm 20 24
2 µm < Grains < 63 µm 56 72
63 µm < grains 24 4
Passant à travers
le tamis No.10 (%) 100 100
Passant à travers
le tamis No.40 (%) 99,37 99,84
Passant à travers
le tamis No.200 (%) 79,03 98,23
GI 10 6
MO (%) 450 °C 8,02 1,11
ρS (t/m3) 2,55 2,72
VBS (g/cm3) 1,09 1,42
WL (%) 43 28
WP (%) 32,1 21,5
IP (%) 10,9 6,5
SS BET (m²/g) 6,7 9,5
WOPN (%) 20,2 15,3
ρdOPN (t/m3) 1,63 1,87
IPI OPN 17 18
WOPM (%) 18 10
ρdOPM (t/m3) 1,7 2,1
IPI OPM 23 22
Indice des vides initial (e0) 0,56 0,48
σ’P (KPa) 60 50
CC 0,162 0,13
CS 0,017 0,02
C’(kPa) 0 0
φ' (°) 24,27 20,11
121
Chapitre 2
peu plastique pour le premier, et sol limoneux peu plastique pour le second matériau. Cette
classification prend en compte la distribution granulométrique des matériaux de l’étude et leurs
limites d’Atterberg. Ces dernières ont été utilisées dans le diagramme de plasticité pour classer
les matériaux (Tableau 33).
Idem pour le système de classification ESCS, ce système utilise le diagramme de plasticité pour
classer les matériaux. Le nom des catégories est différent mais la nature de la classification reste
la même (Tableau 33).
Tableau 33 : La classification des matériaux de l'étude selon différents systèmes de classification.
Enfin, pour le GTR, le sédiment appartient à la sous-classe F11, regroupant les sols organiques
avec une teneur en MO entre 3 % et 10 %. Du point de vue granulométrique, le sédiment et
l’ASCal sont des sols fins, assimilés à la classe « A » définie par des matériaux dont le diamètre
maximal est inférieur à 50 mm et dont la proportion de fine (passant à 80 μm) est supérieur à
35 %. La sous-classe est déterminée en fonction de l’activité argileuse (VBS) et du caractère
plastique (IP). Ainsi, il est possible de classer le sédiment selon ses paramètres de nature en
sous classe A1F11 . Selon les paramètres de nature de l’ASCal, ce dernier est classé en classe A1
(Tableau 33).
D’après le GTR [32], ces matériaux peuvent être utilisés en remblai sans traitement, ils changent
brutalement de consistance pour de faibles variations de teneur en eau. Le temps de réaction
aux variations de l’environnement hydrique et climatique est relativement court, mais la
perméabilité pouvant varier dans de larges limites selon la granulométrie, la plasticité et la
compacité, le temps de réaction peut tout de même varier assez largement. Pour une utilisation
en couche de forme, le GTR préconise un traitement au liant hydraulique.
Système de classification Sédiment ASCal
AASHTO
Catégorie A-7-5 A-4
Classification Sol argileux Sol limoneux
USCS
Catégorie OL ML
Classification Sol organique peu plastique Sol limoneux peu plastique
ESCS
Catégorie Sil CiL
Classification sol limoneux moyennement plastique sol argileux peu plastique
GTR
Catégorie F11A1m A1m
Classification Limon organique peu plastique Limon peu plastique
122
Chapitre 2
6. Conclusions du chapitre :
La pré-étude présentée au début du chapitre II montre que les méthodes d’élimination des
MO sont très difficiles à mettre en place en raison des volumes importants de matériaux
nécessaires à l’étude de comportement mécanique tel que l’essai Proctor. Tandis que la méthode
d’amendement semble avoir des qualités très intéressantes en ce qui concerne la reconstitution
de grandes quantités d’échantillons et la maitrise de leur teneur en MO.
La caractérisation physique, chimique, minéralogique, mécanique et environnementale
des matériaux de l’étude nous a fourni des informations sur chaque matériau. Ces informations
seront utilisées dans les chapitres suivants afin d’analyser les influences des MO sur les
propriétés physiques et mécaniques des sédiments de dragage.
La caractérisation physique a montré que le sédiment et l’ASCal sont des sols limoneux,
au vu de leur granulométrie et leur VBS comprise entre (0,2 et 2,5). Les essais de limites
d’Atterberg ont montré que le sédiment et l’ASCal sont des matériaux peu plastiques. Les
résultats obtenus dans cette partie de caractérisation a permis de classer les matériaux selon leur
granulométrie, leur activité argileuse (VBS) et leur caractère plastique (IP), Ainsi, le sédiment
est classé en sous classe A1F11 et l’ASCal en classe A1.
L’étude du comportement mécanique des matériaux de l’étude nous a permis, d’une part,
d’examiner leur aptitude au compactage, leur capacité de portance, leur aptitude au tassement
et leur résistance au cisaillement, et d’autre part, à compléter la classification en sous classe
selon le GTR. Les résultats obtenus montrent que le sédiment présente une capacité de portance
relativement correcte au vu des valeurs recommandées par le GTR. A partir des résultats
d’essais de compacité et de portance, le sédiment et l’ASCal sont classés en fonction de leur
état hydrique. Ainsi, le sédiment est classé en sous classe A1F11 et l’ASCal en classe A1. A partir
des résultats d’essai œdométrique, il est possible d’observer le caractère compressible du
sédiment.
Les analyses minéralogiques nous ont donné une idée sur les principaux minéraux et
composants présents dans les matériaux, ceci permettra de savoir comment réagissent ces
derniers dans un environnement bien déterminé.
123
Chapitre 2
L’évaluation de l’impact environnemental a été réalisé par l’essai de lixiviation en se
référant à la norme NF EN 12457-2. En analysant les résultats obtenus en fonction des
conditions d’admission, on constate que les valeurs du sédiment ne dépassent pas les seuils du
niveau 1 définis par le guide d’acceptabilité des matériaux alternatifs en technique routière.
Pour les limites à respecter pour une utilisation en technique routière, les résultats sont
inférieurs aux seuils.
124
Chapitre 2
CHAPITRE III :
Méthodes de Caractérisation des Matières
Organiques
1. Introduction : ................................................................................................................... 127
2. Bilan des essais de caractérisation des MO : .................................................................. 127
2.1. Quantification de la teneur en MO par méthodes thermiques : ............................... 128
2.1.1. Détermination de la teneur pondérale des MO par calcination : ...................... 128
2.1.2. Détermination de la perte au feu des déchets, des boues et des sédiments : .... 130
2.1.3. Détermination de la teneur en COT par combustion sèche (NF ISO 10694) : 134
2.2. Quantification de la teneur en MO par méthodes chimiques : ................................ 137
2.2.1. Méthode de détermination de la teneur en MO (NF P94-055) : ...................... 137
2.2.2. Détermination du COT par oxydation sulfochromique (NF ISO 14235) : ...... 139
2.2.3. Détermination de l’azote et le rapport C/N (Méthode interne LDM) : ............ 140
2.2.4. Oxydation chimique des MO avec l’eau oxygénée (NBN 589-207-3) : .......... 141
2.2.5. Méthode de Walkley-Black : ............................................................................ 142
2.2.6. Détermination de la teneur en acide fulvique (NF EN 1744-1+A1) : .............. 143
2.2.7. Détermination de la teneur en acides fulviques et acides humiques : .............. 145
3. Synthèse générale : ......................................................................................................... 146
4. Conclusions du chapitre : ................................................................................................ 148
126
Chapitre 3
127
Chapitre 3
1. Introduction :
Les protocoles de caractérisation des MO dans les matrices solides, sont souvent laborieux
et inadaptés au terrain et nécessitent en général du matériel sophistiqué. Ce chapitre présente
un bilan des méthodes de caractérisation des MO les plus fréquemment utilisées dans les sols,
les déchets, les boues et les sédiments. Plusieurs techniques peuvent être retenues dans un seul
protocole : la densimétrie dans des liqueurs denses organiques ou minérales, oxydation,
flottation dans l’eau, calcination, tamisages, sédimentation, décantation, élutriation,
centrifugation. Dans notre étude, un bilan a été établi pour recenser tous les essais normalisés
et d’autres méthodes appliquées pour identifier d’une manière globale ou spécifique les MO.
Ce bilan a été dressé sur les approches thermico-chimiques de caractérisation. Ainsi, les MO
ont été étudiées du point de vue de leur biodégradabilité et de leur composition moléculaire.
2. Bilan des essais de caractérisation des MO :
A partir du chapitre bibliographique, nous avons sélectionné dix essais normalisés et
méthodes non normalisées de caractérisation des MO. La Figure 54 illustre les essais
sélectionnés :
Figure 54 : Méthodes de caractérisation des MO.
128
Chapitre 3
2.1. Quantification de la teneur en MO par méthodes thermiques :
2.1.1. Détermination de la teneur pondérale des MO par calcination :
Selon la norme XP P 94-047, cette méthode donne une indication sur le taux de MO du
sol. Sur un échantillon du sol préalablement broyé et séché à basse température et puis calciné
pendant 3 heures à haute température (450 °C) : les MO sont détruites et dégagées sous forme
de gaz carbonique (CO2) et de vapeur d'eau. Après combustion, il ne reste que la fraction
minérale du sol dans le récipient. La teneur en MO est calculée selon l’équation ci-dessous :
𝐂𝐌𝐎𝐂 =𝟏
𝐧∑
(𝐦𝟏 −𝐦𝟐 )
(𝐦𝟏 −𝐦𝟎 ) Équation 1
Compte tenu de la variabilité des matériaux, l’idéal est de mettre en place un minimum
de 3 répétitions par traitement (Figure 55). Trois échantillons de cinq grammes de chaque
matériau (sédiment, ASCal, Compost) ont été préparés de façon aussi homogène que possible :
d’abord, séchés à basse température pour évaporer l’eau contenue dans les échantillons, ensuite
les creusets contenants les matériaux ont été calcinés durant 3 heures à haute température
(450 °C). Les matériaux sont ultérieurement pesés creuset par creuset pour déterminer la valeur
de « m2 » pour chaque échantillon. Ainsi, la teneur en MO est calculée selon l’Equation 1.
Figure 55 : Creusets calcinés de matériaux de l’étude.
129
Chapitre 3
La Figure 56 illustre les résultats obtenus pour chaque mesure :
Les valeurs de teneur en MO déterminées par l’Équation 1 mettent l’ASCal en position du
matériau le plus faible en MO avec une teneur moyenne en MO égale à 1,11 %. Quant au
compost, sa teneur moyenne en MO est égale à 42,13 %. Et enfin, la teneur moyenne en MO
du sédiment est égale à 8,02 %. Cette dernière valeur de MO (%) est comparable à celles
calculées par d’autres travaux de recherche sur des sédiments marins du GPMD (Tableau 34)
[22], [110], [111].
Tableau 34 : Teneur en MO de quelques sédiments marins étudiés par d’autres travaux.
D’après Hoogsteen et al. [112], un grand nombre de facteurs peuvent influencer la précision de
cet essai, tels que le type de four, la masse de l'échantillon, la teneur en argile des échantillons,
la durée et la température de calcination. Selon les résultats obtenus de l’essai ayant été réalisé
dans les mêmes conditions (four, température, durée, masse de l’échantillon) on observe que la
précision de la méthode dépend aussi de la teneur en MO initiale du matériau calciné. En effet,
on remarque sur les trois essais de calcination effectués sur le compost un écart-type de l’ordre
de 0,36 %, tandis que pour le sédiment et l’ASCal, on enregistre un écart-type de 0,16 % et
Paramètre
Sédiment
( cette
étude)
Sédiment
marin de
Wang [110]
Sédiment marin
de Achour [22]
Sédiment marin
de Tran
[111]
MO moyenne (%) 8,02 6,27 8,82 8,60
0 10 20 30 40 50
Sédiment
Compost
ASCal
7,84
41,79
1,08
8,16
42,51
1,13
8,06
42,09
1,12
Teneur en MO (%)
Ma
téria
ux d
e l
'étu
de
Essai n°3 Essai n°2 Essai n°1
Figure 56 : Résultats des essais de détermination de la teneur en
MO selon la norme XP P 94-047.
130
Chapitre 3
0,03 % respectivement. Au regard de ces écarts-type faibles on peut aussi conclure que l’essai
dans des conditions de laboratoire maitrisées donne des résultats très comparables.
2.1.2. Détermination de la perte au feu des déchets, des boues et des sédiments :
La norme NF EN 15169 spécifie une méthode de détermination de la perte au feu. Le
mode opératoire est applicable sur les déchets, les boues et les sédiments. La teneur en MO est
calculée selon l’Equation 1.
Comme pour l’essai précèdent, trois échantillons de cinq grammes de chaque matériau
(sédiment, ASCal, Compost) ont été préparés de façon aussi homogène que possible : d’abord,
séchés à basse température pour évaporer l’eau contenue dans les échantillons, ensuite les
creusets contenant les matériaux ont été calcinés durant 1 heure à haute température (550 °C).
La différence de masse avant et après le processus de chauffage est utilisée pour calculer la
perte au feu.
La Figure 57 illustre les résultats obtenus pour chaque mesure :
A partir des résultats illustrés sur la Figure 57, nous observons que les valeurs de MO sont plus
importantes que celles enregistrées dans l’essai précédent conformément à la norme XP P 94-
047. En effet, une importante perte de masse est enregistrée lorsque la température appliquée
sur les échantillons augmente de 450 °C à 550 °C, ce constat est encore plus visible sur le
0 20 40 60 80
Sédiment
Compost
ASCal
10,26
65,3
2,36
10,76
66,01
2,45
10,63
65,43
2,42
Teneur en MO (%)
Ma
téria
ux d
e l
'étu
de
Series3 Essai n°2 Essai n°1Essai n°3
Figure 57 : Résultats des essais de détermination de la teneur en MO selon la norme NF EN 15169.
131
Chapitre 3
compost, où on enregistre une très grande perte en comparaison aux autres matériaux (le
sédiment et l’ASCal). Les valeurs moyennes de MO pour le sédiment, l’ASCal et le compost
sont respectivement égales à : 10,55 % ; 2,41 % et 65,58 % pour ce présent essai. Idem pour
cette méthode, nous observons que l’écart-type est plus important lorsque le matériau testé a un
taux de MO très élevé (Tableau 35).
Tableau 35 : Ecart-type entre trois essais de mesure de teneur en MO pour les essais thermiques.
L’écart-type très important dans le compost peut être expliqué par le fait que les MO contenues
dans l’échantillon calciné ne soient pas de même nature, ou du même état d’évolution, par
exemple les MO stables sont plus difficiles à détruire.
Pour visualiser l’impact de l’augmentation de la température sur les matériaux, une
analyse thermogravimétrique (ATG) permet de suivre la perte en masse d’un composé en
fonction d’un cycle thermique de chauffage jusqu’à 1000 °C. Cette analyse a été effectuée sur
deux échantillons du sédiment : un sédiment brut (non calciné) et un sédiment calciné à 450 °C
selon la nome XP P 94-047. Les résultats de l’analyse ATG sont illustrés sur la Figure 58 et la
Figure 59.
Essai Sédiment ASCal Compost
XP P 94-047 0,16 % 0,03 % 0,36 %
NF EN 15169 0,25 % 0,05 % 0,38 %
Figure 58 : ATG du sédiment brut.
132
Chapitre 3
Pour le sédiment brut (Figure 58), on observe quatre étapes dans l’intervalle de températures
entre 105 °C – 750 °C :
Une première étape (105 °C – 200 °C) : on observe une perte de masse de 0,25 % due
probablement à une déshydratation;
Une deuxième étape (200 °C – 400 °C) : on observe une perte de masse de 1,17 % due
probablement à la détérioration des acides humiques et acides fulviques [113];
Une troisième étape (400 °C – 550 °C) : on enregistre une perte de masse de l’ordre de
3 % due à une importante détérioration du carbone organique total. Selon la littérature
scientifique [33], [102]–[104], [114] dans cet intervalle de température, les MO
subissent une détérioration très importante. Le pic de détérioration de carbone organique
total est à 450 °C;
Une quatrième étape (550 °C – 750 °C) : on enregistre une perte de masse de 8,68 %
accompagnée d’un dégagement du dioxyde de carbone CO2 et d’une décomposition de
la phase Calcite entre 650 °C et 750 °C.
Pour le sédiment calciné (Figure 59), on remarque trois étapes dans l’intervalle de températures
entre 105 °C – 750 °C :
Figure 59 : ATG du sédiment calciné.
133
Chapitre 3
Une première étape (105 °C – 470 °C) : on observe une perte de masse de 0,05 % due à
la déshydratation. Aucun pic de détérioration du carbone organique total n’a été observé
dans cet intervalle de température.
Une deuxième étape (470 °C – 650 °C) : on observe une perte de masse de 5 %, un
dégagement du dioxyde de carbone CO2 et un début de décomposition de la phase
Calcite.
Une troisième étape (650 °C – 750 °C) : On remarque un pic de dégagement de CO2 et
une perte de masse de 3,44 % due à la décomposition de la phase Calcite.
L’analyse thermogravimétrique effectuée sur le sédiment brut et le sédiment calciné a permis
de constater quelques dissimilitudes de comportement face à l’augmentation de température.
Entre 400 °C et 550 °C, l’intensité des éléments dégagés est différente entre les deux
échantillons. D’après l’étude de Pallasser et al. [114], l’intervalle de température entre 400 °C
et 550 °C correspond à la zone où les MO subissent une détérioration thermiques très
importante. La température efficace pour la détérioration complète des MO change d’un
matériau à un autre.
En plus de la température, il y a le facteur « temps » qui contribue à l’augmentation de la perte
de masse de l’échantillon calciné.
Figure 60 : Evolution du taux de MO en fonction du temps selon la
norme NF EN 15169.
0 20 40 60 80 100
Sédiment
Compost
ASCal
11,76
73,2
3,11
11,58
73,2
3,05
11,17
73,02
2,8
10,79
70,65
2,81
10,55
65,58
2,41
Teneur en MO (%)
Ma
téria
ux d
e l
'étu
de
1 h 2 h 3 h 4 h 5 h
134
Chapitre 3
A partir de la Figure 60, une augmentation de la perte de masse peut être observée au passage
d’une calcination d’une heure à cinq heures. Cette augmentation est de l’ordre de 22,5 % pour
l’ASCal et 10 % pour le sédiment. Quant au compost, une augmentation de 10 % de la perte de
masse est enregistrée entre 1 h et 3 h avec une stabilisation entre 3 h et 5 h. Ceci peut être
expliqué par le fait que les MO contenues dans les matériaux peuvent être de natures différentes
ou dans des états d’évolution différents, nécessitant un traitement thermique rapide (une heure)
ou plus ou moins long (cinq heures). D’après Mustin [13], cet essai donne des résultats
maximalistes (10 % à 18 % de plus) et il est nécessaire d’exploiter ces résultats avec prudence,
en comparant cette procédure à d’autres essais de caractérisation.
2.1.3. Détermination de la teneur en carbone organique total et carbone total par combustion sèche (NF ISO 10694) :
L’essai décrit par la norme NF ISO 10694 consiste à déterminer, par combustion sèche,
la teneur en carbone organique total (COT) et le carbone total d’un échantillon. L’analyse
s’effectuant sur de très faibles prises d’essais, 25 mg de chaque matériau, cela implique
l’utilisation d’une microbalance et le broyage des matériaux à moins de 250 µm afin d’éviter
les problèmes d’hétérogénéité de l’échantillon. L'analyse par combustion utilise deux tubes
installés en série dans une enceinte calorifugée, chaque tube peut être chauffé indépendamment.
Le premier tube est le siège de la réaction d'oxydation et le deuxième celui de la réaction de
réduction. Pour s'affranchir des problèmes de fractionnement isotopique, il faut que la
combustion soit totale. L'échantillon est conditionné dans des capsules d’étain qui ont la
propriété d’augmenter rapidement la température de 300 °C. Enfin, le tube est conditionné à
l’aide de catalyseurs de la réaction d’oxydation (oxydes de cuivre et de chrome), et de façon à
ce que l'échantillon tombe dans la zone la plus chaude du tube. Sous l’action conjuguée d’une
élévation de température (au-delà de 1000 °C) et d’un courant d’oxygène, le carbone minéral
(essentiellement des carbonates) est décomposé et le carbone organique total est oxydé ce qui
conduit à la production en particulier de CO2. Les gaz de combustion produits sont véhiculés
par l’hélium, gaz porteur inerte. Les valeurs du carbone organique total et le carbone total sont
illustrées sur la Figure 61.
135
Chapitre 3
D’après les résultats obtenus (Figure 61), il est possible d’observer que le taux du carbone
minéral dans le compost est négligeable par rapport à celui du carbone organique total
(29,73 %), ce qui permet de confirmer la nature très organique du compost.
Pour l’ASCal, sa forte teneur en carbone minéral (7,94 %) est liée à une présence très importante
de la Calcite (cf., résultats DRX) quant à sa teneur en carbone organique total, elle est égale à
0,246 %, une très faible teneur qui confirme son caractère inorganique. Enfin, pour le sédiment,
les valeurs de carbone minéral et carbone organique total le placent dans une position
intermédiaire entre le compost (matériau très organique) et l’ASCal (matériau inorganique).
Pour exprimer la teneur en carbone organique total d’un échantillon en taux de MO, un
facteur de conversion de 1,724 est très couramment utilisé. Selon les travaux de Sprengel [115],
les MO représentent 58 % du carbone organique total, ce qui signifie que le rapport MO/COT
serait donc égal à 1,724. Ce facteur est devenu d’usage universel depuis 1826 malgré les
nombreuses études ultérieures montrant qu'il serait trop bas pour la plupart des sols. De récents
travaux de recherche sur les sols estiment le rapport MO/COT entre 1,4 et 2,5 [116]–[118].
La Figure 62 montre la disparité entre les valeurs du facteur conventionnel qui provient des
données empiriques publiées au cours des 138 dernières années [119]–[141].
Figure 61 : Les valeurs de carbone organique total des matériaux étudiés selon la norme NF ISO 10694.
0 10 20 30 40
Sédiment
Compost
ASCal
6,4
29,83
8,19
4,15
29,73
0,246
2,25
0,1
7,944
Proportion (%)
Ma
téria
ux d
e l
'étu
de
Carbone minéral
carbone organique total
Carbone total
136
Chapitre 3
A partir de la Figure 62, il possible d’observer que les facteurs les plus importants (>2) ont été
déterminés à partir des essais effectués sur des sols très organiques (tourbes...). Selon Pribyl
[141], la valeur du facteur conventionnel s’est avérée comprise entre 1,9 et 2.
A partir des résultats obtenus de l’essai de détermination du carbone organique total (NF ISO
10694) et l’essai de perte au feu à 550 °C (NF EN 15169), il est possible d’observer une relation
linéaire entre les valeurs des deux paramètres (Figure 63).
Facteur conventionnel
Tra
vau
x d
e re
cher
che
Cameron et Breazeale (1904) [117] Gotner (1916) [118]
Robinson (1927b) [121]
Alexandre et Byers (1932) [124]
De Leenheer et al. (1957) [127]
Ranney (1969) [130]
Somani et Sexena (1983) [132]
Lowther et al. (1990a) [134]
Cambardella et al. (2001) [137]
Read et Ridgell (1922) [119]
Broadbent (1953) [126]
Warington et Peake (1880) [116]
Always et Harmer (1927a) [120]
Robinson et al. (1929) [122] Lunt (1931) [123]
Barshad and Rojas-Cruz (1950) [125]
Ball (1964) [128] Howard (1965) [129]
Christensen et Malmros (1982) [131]
David (1988) [133]
Howard et Howard (1990b) [135] Gale et Cambardella (2000) [136]
Figure 62 : Les valeurs du facteur conventionnel calculées par différents travaux de recherche
[141].
Figure 63 : Corrélation entre MO et COT (Méthodes thermiques).
MO (%) = 2 COT (%) + 2
R² = 1
MO (%) = 1,9 COT (%) + 1
R² = 0,99
MO (%) = 1,724 COT (%)
R² = 1
MO (%) = 1,3 COT (%) + 1,7
R² = 0,99
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30 35
Ten
eu
r e
n M
O (
%)
Carbone organique total (%) (selon N ISO 10694)
Présente étude ( 550° C /NF EN 15169)
Dean [114] (550° C/NF EN 15169)
Sprengel [112]
Présente étude ( 450° C /XP P 94-047)
(1)
(2) (3)
(4)
(1)
(2)
(3)
(4)
137
Chapitre 3
L’équation de cette relation linéaire permet de déterminer le facteur conventionnel pour les
matériaux testés dans la présente étude. La valeur du facteur conventionnel est égale à 2. Suivant
le même essai de détermination des MO (NF EN 15169), l’étude de Dean [142] sur des
sédiments permet de déterminer un facteur conventionnel égal à 1,9. La présente étude et l’étude
de Dean [142] confirment les conclusions de Pribyl [141].
Le degré de température de calcination et la durée de calcination peuvent également influencer
le rapport entre la teneur en MO et le taux de carbone organique total, ce qui peut être traduit,
au final, par le changement de la valeur du facteur conventionnel. Une corrélation linéale peut
être aussi observée sur la Figure 63 entre les résultats de l’essai thermique à 450 °C (XP P94-
047) et les teneurs en carbone organique total (NF EN 15169). A partir de cette relation, on peut
distinguer une diminution de la valeur du facteur conventionnel de 2 à 1,3 sur les mêmes
matériaux lorsque la température de calcination change de 550 °C à 450 °C et la durée de
calcination augmente de 1 h à 3 h. Une tendance similaire est observée par David [136] sur 196
sols où il a obtenu un facteur conventionnel compris entre 1,5 et 1,95 après avoir déterminé la
teneur en MO suivant l’essai de calcination à 450 °C pendant 12 h.
Il est important de souligner que l’augmentation de la valeur du facteur conventionnel est liée
à la surestimation de la teneur en MO suite à la dégradation thermique d’une partie du carbone
minéral en plus de la dégradation complète du COT. En effet, selon les résultats de l’essai de
détermination de la teneur en carbone minéral et organique (NF EN 15169), l’ASCal présente
une très faible teneur en COT (environ 0,2 %) et un taux du carbone organique d’environ 7,9 %,
mais au vu des résultats de l’essai thermique de détermination des MO à 550 °C, la valeur de
la perte en masse est supérieure à 2 %. Cette dernière valeur est plus importante que celle
observée sur l’essai thermique de détermination des MO à 450 °C où la perte en masse est égale
à 1,1 %. Les dernières observations et les analyse ATG permettent de déduire que la calcination
à 550 °C détruit une partie du carbone inorganique en plus d’une dégradation complète du COT
aux alentours de 400 °C.
2.2. Quantification de la teneur en MO par méthodes chimiques :
2.2.1. Méthode de détermination de la teneur en MO (NF P94-055) :
L’essai décrit par la norme NF P94-055 consiste à déterminer, par un procédé chimique,
la teneur en carbone organique d’un échantillon. La teneur en MO est exprimée par pourcentage
et est déterminée sur les prises d’essai selon l’équation suivante :
138
Chapitre 3
𝐌𝐎 (%) = 𝟏𝟎𝟒, 𝟓 (𝒗𝟏 −𝒗𝟐 )
𝒎 Équation 3
Avec : MO : Matières Organiques
m : Masse de la prise d’essai
v2: Volume résultant du titrage de l’essai témoin
v1: Volume résultant du titrage de l’essai sur les matériaux de l’étude.
200 grammes de chaque matériau (sédiment, ASCal, Compost) ont été, d’abord, séchés à 50 °C
pendant une durée allant entre 1 et 8 jours, ensuite 50 g de matériau séché ont été broyés et le
résultat du broyage est passé au tamis de 315 µm. 1g du passant est prélevé de chaque matériau
et introduit dans un ballon. Le contenu du ballon est mélangé avec 10 ml de solution de
dichromate de potassium additionnée à 15 ml d'acide sulfurique. Une étape de chauffage est
entreprise pour déclencher l’oxydation du carbone organique contenu dans les matériaux (teinte
brune voir Figure 64 (a)).
Après avoir oxydé le carbone organique, l’opération de dosage peut être entamée, par l’ajout
de 7 à 8 ml d’acide orthophosphorique, 5 à 10 gouttes de diphénylamine et une quantité
suffisante de sulfate double d’ammonium et de fer jusqu’à l’obtention d’une solution de couleur
verte émeraude qui signifie la fin de l’essai (Figure 64 (b)). Une quantité similaire de sable est
testée comme étant un matériau témoin.
(a) (b)
Figure 64 : (a) Oxydation du carbone organique ; (b) Dosage du carbone organique
dans les matériaux de l’étude.
139
Chapitre 3
Selon les résultats obtenus dans cette méthode (Figure 65), les taux de MO des matériaux de
l’étude sont de l’ordre de 2,8 % pour l’ASCal, 9,4 % pour le sédiment et 53,3 % pour le
compost. Dans cette méthode, la détermination de la teneur en MO par oxydation (voie humide)
est en réalité une mesure du pouvoir réducteur du matériau et tout composant susceptible
d’interagir avec les MO et influencera, par conséquent, le résultat obtenu. Il est par ailleurs
intéressant de comparer la teneur des MO calculées par cette méthode avec celle obtenue par
les méthodes thermiques. Une augmentation de l’ordre de 17 % pour le sédiment et d’une fois
et demi pour l’ASCal, tandis que pour le compost, on enregistre une baisse de 14 % par rapport
à la valeur de taux de MO obtenue via l’essai de calcination à 450 °C.
2.2.2. Détermination du carbone organique par oxydation sulfochromique (NF ISO 14235) :
La norme NF ISO 14235 spécifie une méthode de détermination du carbone organique
présent dans le sol. Ce dernier est oxydé dans un mélange d´une solution de bichromate de
potassium (en excès) et d´acide sulfurique à une température de 135 °C. Les ions bichromates,
qui colorent la solution en rouge, sont réduits en ions Cr3+ qui colorent la solution en vert.
L´intensité de ce vert est mesurée par spectrocolorimétrie. Partant de l´hypothèse que
l´oxydation d´un atome de carbone de matière organique produit quatre électrons, il existe une
relation entre le Cr3+ formé et la quantité de carbone organique. La méthode est calibrée en
utilisant le glucose comme source de carbone oxydable. Les résultats des analyses de carbone
organique sont illustrés sur la Figure 66. A partir de cette dernière, on peut observer une
0 10 20 30 40 50 60 70
Sédiment
Compost
ASCal
9,4
53,29
2,8
Teneur en MO (%)
Ma
téria
ux d
e l
'étu
de
Figure 65 : Les valeurs de MO des matériaux étudiés selon la norme NF P94-055.
140
Chapitre 3
variabilité au niveau des valeurs obtenues par l’essai thermique de détermination de carbone
organique par combustion et l’essai chimique par oxydation sulfochromique. En effet, plus le
matériau est riche en MO, plus l’écart entre les résultats obtenus dans les deux essais est
important.
2.2.3. Détermination de l’azote et le rapport C/N (Méthode interne LDM) :
Les valeurs de l’azote total et le rapport C/N ont été déterminés selon la norme NF ISO
10694. Il est à noter que le ratio C/N renseigne le degré d’évolution des MO [143] dans les
matériaux.
Tableau 36 : Valeurs de N et rapport C/N pour les matériaux de l’étude.
On observe que pour le sédiment et le compost, le ratio C/N est supérieur à 20 (Tableau 36), ce
qui permet à ces matériaux une décomposition plus rapide et plus facile [143].
Méthodes Paramètre Sédiment ASCal Compost
NF ISO 10694 N (%) 0,163 0,023 0,613
C/N 25,5 10,7 24,8
0 10 20 30 40
Sédiment
Compost
ASCal
3,35
21,36
0,95
4,15
31,49
0,246
Teneur en CO (%)
Ma
téria
ux d
e l'
étu
de
NF ISO 10694
NF ISO 14235
Figure 66 : Les valeurs de carbone organique des matériaux étudiés
selon la norme NF ISO 14235 et la norme NF ISO 10694.
141
Chapitre 3
2.2.4. Oxydation chimique des MO avec l’eau oxygénée (NBN 589-207-3) :
Les MO peuvent être oxydées chimiquement et ainsi être éliminées. Une oxydation
implique toujours deux composants : la matière à oxyder et l’agent oxydant. Ce dernier, dans
ce cas est H2O2, il accepte les électrons et est ainsi réduit la masse.
100 grammes d’échantillon de chaque matériau (sédiment, ASCAL, Compost) ont été oxydés
par 100 ml de solution de peroxyde d’hydrogène (H2O2) pendant 1 h en remuant régulièrement
puis en répétant la même opération trois fois. Après oxydation, les échantillons ont été séchés
à l’étuve puis pesés à 0,1 g près. La perte de masse constitue, en effet, le taux de MO du matériau
testé.
Lors de l’essai, différents phénomènes peuvent être observés à l’œil nu une fois que la
température d’eau atteint 100 °C et que le volume d’eau oxygénée soit ajouté par dose de 10 ml
pour éviter le débordement de la matière en raison des réactions chimiques, après chaque ajout
de solution de H2O2 une ébullition de la solution (H2O2 + matériau testé), un dégagement de
CO2 et évaporation d’eau.
La température du bain-marie constitue l’un des facteurs importants influant le résultat de
l’essai, par son rôle d’accélérateur d’oxydation des MO, une température de 100 °C est
nécessaire pour casser les liaisons entre le carbone, l’hydrogène et l’oxygène.
0 10 20 30 40
Sédiment
Compost
ASCal
3,47
29,33
1,04
Teneur en MO (%)
Ma
téria
ux d
e l
'étu
de
Figure 67 : Les valeurs de MO des matériaux étudiés
selon la norme NBN 589-207-3.
142
Chapitre 3
A partir de la Figure 67, on observe que les taux de MO des matériaux de l’étude sont de l’ordre
de 1,04 % pour l’ASCal, 3,4 % pour le sédiment et 29,3 % pour le compost. Dans cette méthode,
la détermination de la teneur en MO par oxydation chimique avec l’eau oxygénée est d’un point
de vue quantitatif moins efficace que la méthode chimique décrite par la norme (NF P94-055),
où on note des valeurs plus ou moins importantes. Cette variation de taux de MO entre les deux
essais chimiques est, en partie, due à la nature de la solution oxydante employée dans l’essai :
- Solution de dichromate de potassium et l'acide sulfurique (NF P94-055) ;
- H2O2 à 35 % de concentration (NBN 589-207-3).
D’autre part, cette variation du taux de MO entre les deux essais chimiques est aussi due au
degré d’évolution des MO. Il est à noter que le ratio C/N renseigne le degré d’évolution des
MO [143]. On observe que pour le sédiment et le compost, le ratio C/N est supérieur à 20
(Tableau 36), ce qui permet à ces matériaux une décomposition plus rapide et plus facile. Outre
le degré d’évolution des MO, la nature des MO contenues dans les matériaux, leur composition
et la force des liaisons minéral/matières organiques sont également parmi les facteurs impactant
les résultats de cet essai.
2.2.5. Méthode de Walkley-Black :
La méthode Walkley Black (WB) est utilisée pour déterminer chimiquement le taux de
MO contenues dans un matériau. Cette méthode est efficace uniquement pour les matériaux
ayant une teneur en MO qui ne dépasse pas les 12 %. Seulement le sédiment et l’ASCal ont été
analysés avec cette méthode.
Un volume spécifique de solution de dichromate de potassium réagit avec 1g de sédiment et 1g
d’ASCal afin d'oxyder les MO pour donner une solution de matériau de couleur verte
(Figure 68 (a)). L'étape d'oxydation est ensuite suivie d'un titrage de la solution de dichromate
en excès avec du sulfate ferreux qui donne un volume de sulfate ferreux en ml et une solution
de matériau de couleur violette une fois le dosage achevé (Figure 68(b)). Le taux de MO est
donc calculé en utilisant la différence entre le volume total de dichromate ajouté et le volume
titré après la réaction. La procédure WB entraîne également la production de chromate, qui est
classé comme produit chimique dangereux et nécessite une élimination réglementée
conformément aux règlementations.
143
Chapitre 3
Le Tableau 37 illustre les résultats obtenus :
Tableau 37 : Les valeurs de MO des matériaux étudiés selon la méthode Walkley-Black.
Les taux de MO des matériaux de l’étude sont de l’ordre de 0,68 % pour l’ASCal et de 5,5 %
pour le sédiment. Dans cette méthode, la détermination de la teneur en MO par oxydation
chimique permet d’avoir d’autres taux de MO pour les mêmes matériaux.
2.2.6. Détermination de la teneur en acide fulvique (NF EN 1744-1+A1) :
Les MO stables proviennent de l’assemblage de certains produits transitoires et de
matières minérales en de nouvelles molécules de plus en plus complexes. L’humus est en fait
un mélange de trois composants : acides fulviques, acides humiques et humines (Figure 69).
La norme [NF EN 1744-1+A1] spécifie une méthode de détermination qualitative de la teneur
en acides fulviques qui sont des constituants de l’humus. Les acides fulviques se dissolvent
dans l'acide chlorhydrique en donnant une couleur jaune. L'intensité de la couleur croît lorsque
la concentration en acides fulviques augmente. Les composés du Fe (III) donnent une couleur
brune dans l'acide chlorhydrique. Cette couleur est éliminée en convertissant les composés du
Paramètre Sédiment ASCal Compost
MO (%) 5,55 0,68
(a) (b)
Figure 68 : (a) Oxydation des MO ; (b) Dosage des MO.
144
Chapitre 3
Fe (III) en composés incolores du Fe (II) en utilisant une solution de chlorure stanneux. Pour
cet essai, un gramme d’échantillon de chaque matériau (sédiment, ASCAL, Compost) a été
utilisé. La Figure 70 illustre les résultats obtenus :
Sur la Figure 70 on observe des concentration différentes d’acide fulviques allant de la plus
faible dans l’ASCal à la plus forte dans le compost.
Un autre essai de quantification d’acides fulvique est nécessaire pour vérifier l’exactitude de
ces concentrations.
Figure 69 : Composition des MO stables.
Figure 70 : Détermination de teneur en acide fulvique des matériaux étudiés.
145
Chapitre 3
2.2.7. Détermination de la teneur en acides fulviques et acides humiques :
Selon une méthode interne du laboratoire LDM, les acides fulviques et humiques contenus
dans les matériaux de l’étude ont été quantifiés. La Figure 71 montre les résultats. Il est à noter
que les valeurs d’acides humiques et les acides fulviques contenus dans les matériaux testés ne
sont pas comparables. On enregistre un très important taux d’acides humiques dans le compost,
et de même pour les acides fulviques. Quant au sédiment, un taux de 1,19 % d’acides humiques
et de 0,17 % d’acides fulviques sont enregistrés. La valeur d’acides fulvique obtenue confirme
la tendance observée dans l’essai précèdent (NF EN 1744-1+A1), une valeur d’acides fulviques
la plus faible des trois matériaux (0,001 %).
Les valeurs d’acides fulviques et humiques du sédiment (Figure 71) sont comparables à la perte
de masse enregistrée sur l’essai de l’ATG entre 200 °C 400 °C et confirment la détérioration
des acides humiques et acides fulviques dans cette plage thermique.
Dans la présente étude, les pourcentages d’acides humiques et fulviques par rapport à la teneur
en carbone organique total sont illustrées sur le Tableau 38.
Tableau 38 : Rapport AH/COT et AF/COT pour le sédiment, l’ASCal et le compost.
Paramètre Sédiment ASCal Compost
AH/COT 28,67 65,04 50,79
AF/COT 4,09 0,4 9,75
0 5 10 15 20
Sédiment
Compost
ASCal
1,19
15,1
0,16
0,17
2,9
0,001
Teneur (%)
Ma
téria
ux d
e l
'étu
de
Acides fulviques
Acides humiques
Figure 71 : Acides humiques et acides fulviques.
146
Chapitre 3
Les résultats obtenus se sont pas comparables, ils varient du simple au double. D’après Kalisz
et al. [144], les acide humiques et les acides fulviques représentent respectivement 24 % et
12 % du carbone organique total.
3. Synthèse générale :
Les résultats des essais thermiques dépendent fortement et principalement de deux
paramètres : la température et le temps. Quant aux essais chimiques, leurs résultats sont
influencés par le type d’agent oxydant utilisé dans l’essai. Les valeurs obtenues des essais
thermiques et chimiques varient du simple au triple (Figure 72 (b)). Il est possible d’observer
que la disparité des valeurs de MO entre les essais est corrélée avec le taux de présence des MO
dans le matériau testé (Figure 72 (a)). Le compost étant riche en MO, sa teneur en MO varie
fortement selon l’essai utilisé (Figure 72 (b)).
Les analyses thermogravimétriques effectuées sur les matériaux ont montré qu’une
calcination à une température qui dépasse 450 °C affecte non seulement les MO, mais aussi
fortement le carbone minéral et l’eau des argiles, ce qui explique l’augmentation des pertes en
masse enregistrées une fois cette température de calcination est dépassée. L’essai thermique de
calcination à 450 °C (selon la norme XP P94-047) semble être le plus adéquat avec le domaine
d’application visé par cette étude, ainsi que les attentes des chercheurs et les industriels. D’un
point de vue pratique, cet essai présente une certaine facilité d’exécution et permet d’éviter
Figure 72 : Synthèse des essais de caractérisation de MO.
0 10 20 30 40 50 60 70
XP P94-047
NF EN 15169
NF P94-055
NBN 589-207-3
Walkley black
Teneur en MO (%)
Sédiment Compost ASCal
Ess
ais
ther
miq
ues
Ess
ais
chim
iqu
es
0 10 20 30 40 50 60 70
ASCal
Compost
Sédiment
Teneur en MO (%)
Walkley black NBN 589-207-3NF P94-055 NF EN 15169XP P94-047
(a) (b)
147
Chapitre 3
d’avoir des résultats surestimés [119], [134] (en raison de la température choisie) dus à la
détérioration du carbone minéral contenu dans les matériaux calcinés.
148
Chapitre 3
4. Conclusions du chapitre :
Les méthodes thermiques ont l'avantage d'être plus rapides que la plupart des autres
méthodes et sont facilement adaptées pour analyser un grand nombre d'échantillons en même
temps. Néanmoins, les méthodes thermiques sont également largement influençables par deux
paramètres essentiels : le temps et la température de calcination.
Les résultats (variables et différents) obtenus dans les méthodes chimiques, montrent cette
extrême difficulté d’identification de MO. L’agent oxydant semble avoir un rôle important et
représente l’une des causes de cette variabilité des résultats. D’autre part, la teneur en MO du
matériau analysé peut également représenter un facteur de variabilité de ces méthodes, en effet,
lorsque le matériau est riche en MO, l’agent oxydant, dans certaine méthode, n’est pas capable
de détruire toutes les MO contenues dans le matériau, cela concerne à titre d’exemple la
méthode d’oxydation à l’eau oxygénée ou encore la méthode de Walkley Black. De plus, le
type des MO, le degré d’évolution des MO et la liaison entre la phase organique et la phase
minérale peuvent jouer un rôle très important lors du traitement par méthodes chimiques.
Les résultats obtenus lors des essais thermiques et chimiques varient du simple au triple,
ce qui rend le choix d’une méthode de caractérisation de MO plus difficile. Cependant, les
méthodes thermiques semblent avoir l’avantage d’être faciles à réaliser dans un laps de temps
court et avec des moyens plus ou moins disponibles dans tous les laboratoires. Au vu des
résultats obtenus des différents essais et le domaine d’application visé par cette étude, l’essai
thermique de calcination à 450 °C (selon la norme XP P94-047) semble être le plus adéquat
avec les attentes des chercheurs et les industriels.
CHAPITRE IV :
Influences des Matières Organiques sur les
Propriétés Physiques et Mécaniques des
Sédiments de Dragage
1. Introduction : ................................................................................................................... 151
2. Rappel du choix des matériaux de l’étude : .................................................................... 151
3. Influences des MO sur les propriétés physiques : ........................................................... 153
3.1. Analyse granulométrique (NF ISO 13320) : ........................................................... 153
3.2. Masse volumique des particules solides : ................................................................ 154
3.3. Surface spécifique BET : ......................................................................................... 156
3.4. Limites d’Atterberg (NF P94-051) : ........................................................................ 157
3.4.1. Limite de liquidité : .......................................................................................... 157
3.4.2. Limite de plasticité : ......................................................................................... 158
3.4.3. Indice de plasticité : .......................................................................................... 159
3.5. Valeur au bleu de méthylène (NF P94-068) : .......................................................... 160
4. Influences des MO sur les caractéristiques mécaniques : ............................................... 162
4.1. Essais de compactage et de Portance : ..................................................................... 162
4.1.1. Effets de MO sur la densité sèche et la teneur en eau à l’optimum Proctor:.... 164
4.1.2. Effets de MO sur l’indice de Portance Immédiat (IPI) : .................................. 166
4.2. Essais œdométriques : ............................................................................................. 169
4.2.1. Effets de MO sur l’indice des vides : ............................................................... 170
4.2.2. Effets de MO sur la pression de pré-consolidation : ........................................ 171
4.2.3. Effets de MO sur l’indice de compression et l’indice de recompression : ....... 171
4.3. Résistance au cisaillement : ..................................................................................... 173
5. Conclusions du chapitre : ................................................................................................ 177
150
Chapitre 4
151
Chapitre 4
1. Introduction :
Dans une optique de valorisation des sédiments dans la technique routière, les paramètres
géotechniques des matériaux doivent être impérativement contrôlés et comparés à ceux exigés
par les réglementations.
Des études antérieures au sujet des effets des MO sur les propriétés physiques et géotechniques
des sols et peu de sédiments ont révélé que les MO agissent sur certaines propriétés physiques
[68], [69], [71], [73]–[77]. Cependant, les impacts enregistrés sur les paramètres physiques
semblent dépendre du type et de la nature des constituants de la phase minérale (quantité et
types d'argiles) en tant que phase organique (MO solubles, MO insolubles) [76], [78]. De plus,
le mode de préparation des échantillons dans les études pourrait également induire des impacts
importants sur les mesures enregistrées. D'après les résultats de recherche obtenus par
différentes études (chapitre I), il est clair qu'il est difficile de généraliser clairement l'effet des
MO sur les caractéristiques physiques d'un matériau donné.
Ce chapitre est dédié à l’étude de l’influences des MO sur les propriétés physiques et
mécaniques des mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal (la méthode de reconstitution
a été détaillée dans le chapitre II). Concernant les propriétés physiques, nous aborderons les
essais granulométriques, l’essai de la masse volumique absolue des particules solides, l’essai
déterminant la surface spécifique BET, l’essai déterminant les limites d’Atterberg et enfin la
valeur au bleu de méthylène. Pour l’influence des MO sur les caractéristiques mécaniques, nous
analyserons leurs impacts sur les paramètres de compactage et de portance, sur la
compressibilité et enfin sur la résistance au cisaillement.
2. Rappel du choix des matériaux de l’étude :
Dans le chapitre II, nous avons été amené à chercher une solution pour supprimer
complètement ou, du moins, baisser la teneur naturelle en MO du sédiment sans avoir changé
sa composition minéralogique, chimique ou granulométrique. A partir des méthodes présentées
dans le chapitre I pour le choix des matériaux, une pré-étude a été effectuée sur un sédiment
marin, l’ASCal et le compost (Figure 73) en utilisant deux méthodes d’élimination des MO
(oxydation à l’eau oxygénée et le tri) et une méthode d’amendement organique. Les résultats
obtenus par les méthodes d’élimination permettent de conclure que cette méthodologie semble
152
Chapitre 4
présenter quelques limites. A partir de ce constat, nous nous sommes orientés vers un autre type
de méthodologie. Il s’agit de la méthode d’amendement organique qui consiste à mélanger avec
des proportions préalablement calculées un matériau de teneur en MO faible avec un deuxième
matériau riche en MO pour obtenir un troisième matériau de teneur en MO souhaitée. Les
teneurs en MO pour les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal ont été établies de telle
sorte à balayer une large plage de teneur en MO :
- Pour les mélanges à base du sédiment : Trois autres matériaux à 10 % ; 12,5 % et
15 % de teneur en MO ont été créés (Figure 74).
- Pour les mélanges à base d’ASCal : Six autres matériaux à 2,5 % ; 5 % ; 7,5 % ; 10 % ;
12,5 % et 15 % de teneur en MO ont été créés (Figure 74). Ces derniers mélanges sont
utilisés pour conforter les résultats sur les mélanges à base du sédiment et aussi
permettre d’analyser les effets des MO sur les propriétés physiques et mécaniques entre
0 % et 8 % de teneur en MO.
Figure 73 : Matériaux de l'étude.
Figure 74 : Mélanges du sédiment et d’ASCal.
153
Chapitre 4
3. Influences des MO sur les propriétés physiques :
3.1. Analyse granulométrique (NF ISO 13320) :
La Figure 75 (a) et la Figure 75 (b) illustrent les résultats des analyses granulométriques
des différents échantillons. Il convient de noter que la distribution granulométrique des
sédiments et de l’ASCal est comparable. L'ajout de MO au sédiment ou à l’ASCal entraîne les
courbes granulométriques vers la droite.
Ce résultat était prévisible car la distribution granulométrique du compost est plus grossière que
celle du sédiment et de l’ASCal. Il est à noter que les distributions granulométriques données
sur la Figure 75 (a, b) sont de type volumique. Sur la base des distributions massiques, les
fuseaux seront encore plus resserrés.
Le Tableau 39 montre les valeurs de d10, d50 et d90 déterminées à partir des courbes
granulométriques (d10, d50 et d90 correspondent respectivement au diamètre relatif à 10 % ; 50 %
et 90 % du passant). De ces données, il est intéressant de noter que le d50 est inférieur à 20 μm,
ce qui signifie que les matériaux testés sont des matériaux fins. En outre, le d90 est en général
inférieur à 0,28 mm, ce qui signifie que l’essai des limites d'Atterberg a été effectué sur
l'ensemble des fractions du matériau. Le sédiment et l’ASCal ont une distribution
granulométrique comparable, cela nous permet de mettre en comparaison l'effet de la teneur en
Figure 75 : (a) Courbes granulométrique des mélanges du sédiment ;
(b) Courbes granulométriques des mélanges de l’ASCal.
0
20
40
60
80
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Pa
ssa
nt
(%
)
Diamètre des particules (µm)
CAA 2.5%A 5%A 7.5%A 10%A 12.5%A 15%
0
20
40
60
80
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Pa
ssa
nt
(%)
Diamètre des particules (µm)
ASCal Compost
154
Chapitre 4
MO sur les propriétés physiques et les performances mécaniques dans les mélanges du sédiment
et les mélanges d’ASCal.
Tableau 39 : Distribution granulométrique des mélanges du sédiment et de l’ASCal.
3.2. Masse volumique des particules solides :
Les essais ont été effectués sur des échantillons séchés et finement broyés. Les mesures
de la masse volumique absolue ρS (t/m3) ont été mises en place selon la norme NF P 94-
054. L'effet des MO sur la masse volumique des particules solides a été reporté sur la Figure 76.
Pour les mélanges d’ASCal, les valeurs de la masse volumique absolue diminuent de 2,70
à 2,37. La valeur la plus basse correspond au mélange qui contient 15 % de MO (teneur en MO
calculée lors de la création du mélange). Pour les mélanges du sédiment, les valeurs diminuent
de 2,55 à 2,43. Aussi, nous observons que la valeur la plus basse correspond au mélange qui
contient 15 % de MO. Il est à noter que la valeur de ρS mesurée sur le mélange du sédiment
avec 5 % de MO (ce matériau a été créé du sédiment traité au peroxyde d'hydrogène pour
diminuer sa valeur initiale de teneur en MO) correspond à la valeur mesurée sur le mélange
d’ASCal. Les résultats obtenus permettent de montrer que les MO apportées par l’ajout du
compost ont produit des tendances similaires dans les deux séries de mélanges. Cette diminution
Matériaux Mélanges du sédiment Mélanges d’ASCal
d10 (µm) 1 1,2 0,9 1
d50 (µm) 7 20 7 20
d90 (µm) 180 280 40 280
Figure 76 : Masse volumique des mélanges en
fonction de la teneur en MO.
2,35
2,4
2,45
2,5
2,55
2,6
2,65
2,7
2,75
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ma
sse
vo
lum
iqu
e a
bso
lue ρ
s (t
/m3)
Teneur en MO (%)
Mélanges AMélanges SMélanges d’ASCal Mélanges du sédiment
ρs (t/m3) = -0,02 MO(%) + 2,71
R² = 0,96
155
Chapitre 4
de la masse volumique absolue des particules solides peut être expliquée par le fait que les MO,
généralement, caractérisées par leur masse volumique très faible créent ce que Soane [66]
appelle l’effet de dilution. Ce dernier signifie l’action de diminution de la masse volumique des
mélanges suite à l’ajout du compost (connu pour sa faible masse volumique absolue par rapport
à celle des sols minéraux). Le Tableau 40 montre les valeurs de la masse volumique absolue
des particules solides pour quelques sols :
Tableau 40 : Masse volumique absolue de quelques sols.
Les résultats obtenus dans cette étude sont en accord avec ceux publiés par d’autres chercheurs
(Figure 77). En effet, Booth [69] et McDonald [145] ont travaillé séparément sur des sédiments
marins dont la teneur en MO varie entre 1 % 5,5 % pour le premier sédiment et entre 1 %
14 % pour le seconde sédiment.
Booth [69] et McDonald [145] ont affirmé que les MO contenues dans ces matériaux affectent
leur masse volumique absolue selon une relation linéaire (Tableau 41).
Type de sol Masse volumique absolue ρS (t/m3)
Sols minéraux 2,5 2,7
Sols organiques 1,2 2,0
Figure 77 : Masse volumique absolue en fonction
de la teneur en MO.
2,35
2,4
2,45
2,5
2,55
2,6
2,65
2,7
2,75
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ma
sse
vo
lum
iqu
e a
bso
lue ρ
s (t
/m3)
Teneur en MO (%)
Cette étude
McDonald, 2004
Booth et dahl, 1986
156
Chapitre 4
Tableau 41 : Relation entre masse volumique absolue et la teneur en MO.
3.3. Surface spécifique BET :
La surface spécifique BET est déterminée selon la norme NF EN ISO 18757. Elle est en
générale liée à la forme, au diamètre des particules et à la porosité. Les valeurs de la surface
spécifique BET du sédiment et de l’ASCal sont comparables. Cependant, le compost présente
une surface spécifique BET inférieure à celle du sédiment et l’ASCal (comme indiqué dans le
chapitre II). La valeur de la surface spécifique BET du compost pourrait être attribuée à sa
distribution granulométrique plus grossière.
Les valeurs de la surface spécifique BET mesurées sur les différents mélanges sont illustrées
dans la Figure 78. La surface spécifique BET diminue avec l'augmentation de la teneur en MO
dans les échantillons. La tendance observée dans la présente étude semble être en accord avec
les résultats obtenus par Malkawi et al. [71] sur des matériaux ayant une teneur en MO
inférieure à 15 %. Quant aux matériaux ayant une teneur en MO supérieure à 15 %, Malkawi
et al. [71] ont observé une augmentation de la surface spécifique BET. Malkawi et al. [71]
expliquent qu’en petite teneur en MO, les mélanges ont tendance à s’agréger, ce qui explique
les diminution de la surface spécifique BET.
Etudes Equation de corrélation R²
Présente étude ρS (t/m3) = 2,71 – 0,02 MO (%) 0,96
Booth et Dahl, 1986 [69] ρS (t/m3) = 2,62 – 0,025 MO (%) 0,91
McDonald, 2004 [145] ρS (t/m3) = 2,68 – 0,019 MO (%) 0,82
Figure 78 : Valeurs de Surface spécifique (BET)
des mélanges du sédiment et d’ASCal.
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Su
rfa
ce S
pécif
iqu
e (
m2/g
)
Teneur en MO(%)
Mélanges d'ASCalMélanges du Sédiment
Ss (m2/g) = -0,43 MO(%) + 9,3
R² = 0,89
157
Chapitre 4
3.4. Limites d’Atterberg (NF P94-051) :
3.4.1. Limite de liquidité :
Pour explorer les effets de la teneur en MO sur la limite de liquidité, les résultats
expérimentaux des essais effectués sur les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal sont
rapportés respectivement sur la Figure 79(a) et la Figure 79(b).
D'après ces résultats (Figure 79), il semble que les valeurs de la limite de liquidité augmentent
avec l’enrichissement des deux séries de mélange en MO. A partir des résultats illustrés sur la
Figure 79, les valeurs de WL (%) à 25 coups ont été déterminées et illustrées sur la Figure 80 :
20
30
40
50
60
70
5 25
Ten
eu
r e
n e
au
(%
)
Nombre de coups
SS 5%S 10%S 12.5%S 15%
20
30
40
50
60
70
5 25
Ten
eu
r en
ea
u (
%)
Nombre de coups
A
A 2.5%
A 5%
A 7.5%
A 10%
A 12.5%
A 15%
Sédiment ASCal (b) (a)
Figure 79 : Limite de liquidité des matériaux (mélanges du sédiment et mélanges d’ASCal).
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Lim
ite d
e l
iqu
idit
é (
%)
Teneur en MO (%)
Mélanges A Mélanges S
Malkawi et al.,1999 Adejumo, 2012
Mélanges d’ASCal Mélanges du sédiment
Figure 80 : Limites de liquidité des échantillons de cette étude et d’autres travaux.
158
Chapitre 4
Il apparaît sur la Figure 80 que la relation entre l'augmentation de la teneur en MO et
l'augmentation de la limite de liquidité est linéaire. Une augmentation de 1 % de la teneur en
MO induit une augmentation de 2 % à 3 % de la valeur de la limite de liquidité (Tableau 42).
Tableau 42 : Relation entre la limite de liquidité et la teneur en MO.
Les comparaisons des résultats obtenus dans cette étude avec ceux d'autres recherches montrent
qu'une tendance similaire est généralement observée [68], [71], [74], [85]. En termes de
comparaisons quantitatives des résultats, tout au long du coefficient de régression, comme
indiqué sur le Tableau 42, une tendance similaire est également observée.
3.4.2. Limite de plasticité :
Sur la Figure 81, les résultats expérimentaux de la méthode d'essai de rouleau (selon la
norme NF P94 068) montrent une augmentation des valeurs de limite de plasticité avec
l’augmentation de la teneur en MO. Ces résultats sont en accord avec plusieurs études [71],
[75], [85], [101].
Etudes Equation de correlation R²
Cette étude ( mélanges sédiment) WL(%) = 3,08 MO (%) + 15,61 0,96
Cette étude ( mélanges ASCal) WL(%) = 1,89 MO(%) + 25,13 0,99
Malkawi et al., 1999 WL(%) = 0,68 MO(%) + 81,40 0,70
Adejumo, 2012 WL (%)= 1,02 MO(%) + 42,0 0,98
0
10
20
30
40
50
60
70
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Lim
ite d
e p
last
icit
é (
%)
Teneur en MO (%)
Mélanges A Mélanges S
Malkawi et al.,1999 Adejumo, 2012
Mélanges du sédiment Mélanges d’ASCal
Figure 81 : Valeurs de limite de plasticité des
échantillons de l’étude et d’autres travaux.
159
Chapitre 4
Dans cette étude, il est à noter que l'augmentation des valeurs de limite de plasticité avec
l'augmentation de la teneur en MO est dans le même ordre que l'augmentation des valeurs de
limite de liquidité (Tableau 43). Les résultats des essais de Malkawi et al. [71] sur des matériaux
ayant des teneurs en MO comprises entre 1 % et 15 %, présentent une tendance similaire à cette
étude (Tableau 43). Adejumo [85] a aussi observé une corrélation linéaire entre la teneur en
MO et la limite de plasticité mais avec moins d’impact que celui enregistré dans la présente
étude.
Tableau 43 : Relation entre la limite de plasticité et la teneur en MO.
3.4.3. Indice de plasticité :
L'augmentation similaire de la limite de liquidité et de la limite de plasticité avec
l'augmentation de la teneur en MO conduit à des valeurs inchangées de l'indice de plasticité.
Les résultats présentés sur la Figure 82 et le Tableau 44 confirment cette tendance.
Dans le Tableau 44, la corrélation proposée par Malkawi et al. [71] entre l’indice de plasticité
et la teneur en MO semble avoir un coefficient de détermination « R² » très faible de l’ordre de
0,15. Cette valeur représente la qualité de la prédiction de la corrélation proposée. De ce fait,
Etudes Equation de corrélation R²
Cette étude ( mélanges du sédiment) WP (%) = 3,00 MO (%) + 4,32 0,96
Cette étude ( mélanges d’ASCal) WP (%) = 1,80 MO (%) + 16,70 0,95
Malkawi et al., 1999 [71] WP (%) = 1,10 MO (%) + 44,50 0,95
Adejumo, 2012 [85] WP (%) = 0,52 MO (%) + 25,10 0,97
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ind
ice d
e p
last
icit
é (
%)
Teneur en MO (%)
Mélanges A Mélanges S
Malkawi et al., 1999 Adejumo,2012
Mélanges d’ASCal Mélanges du sédiment
Figure 82 : Indice de plasticité en fonction de la teneur en
MO.
160
Chapitre 4
les travaux de Malkawi et al. [71] confirme l’impact neutre de la teneur en MO sur l'indice de
plasticité. Les résultats d'Adejumo [85] ne semblent pas pouvoir étayer la conclusion ci-dessus.
Tableau 44 : Relation entre l’indice de plasticité et la teneur en MO.
3.5. Valeur au bleu de méthylène (NF P94-068) :
Cet essai exprime la quantité de bleu de méthylène absorbée par les particules de chaque
mélange. Pour effectuer cet essai, une prise de 200 g de chaque mélange a été passée au tamis
de 2 mm. Une prise d’échantillon d’environ 60 g de chaque mélange a été diluée dans 500 ml
d’eau distillée puis agitée pendant 5 minutes. Des quantités croissantes de bleu de méthylène
par doses successives ont été introduites, jusqu'à ce que les particules argileuses en soient
saturées : il apparaît alors un début d'excès qui marque la fin de l'essai et que l'on détecte par le
test dit à la tâche. Ce dernier consiste à former, avec une goutte de la suspension et sur du papier
filtre normalisé, une tache qui est un dépôt de sol coloré en bleu soutenu, entouré d'une zone
humide, en général incolore. Les quantités de bleu de méthylène ajoutées aux solutions varient
entre 60 ml et 100 ml. La Figure 83 montre les valeurs au bleu de méthylène. Ces valeurs
résultent d’une moyenne de trois mesures :
Etudes Equation de corrélation R²
Cette étude ( mélanges du sédiment) IP(%) = 0,09 MO (%) + 8,42 0,06
Cette étude ( mélanges d’ASCal) IP(%) = 0,08 MO (%) + 11,29 0,06
Malkawi et al., 1999 [71] IP(%) = - 0,16 MO (%)+ 34,70 0,15
Adejumo, 2012 [85] IP(%) = 0,50 MO (%)+ 17,65 0,98
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
VB
S (
g/1
00
g d
e M
.S)
Teneur en MO (%)
Mélanges AMélanges S
Mélanges d’ASCal Mélanges du sédiment
Figure 83 : Valeur au bleu de méthylène des mélanges.
161
Chapitre 4
D'après ces résultats, il semble que les valeurs au bleu de méthylène sont légèrement affectées
par la teneur en MO (dans la gamme de la teneur en MO étudiée dans ce travail de recherche).
En effet, les argiles (qui font partie de la composition minéralogique des deux matériaux à
savoir le sédiment et l’ASCal) sont de fins cristaux, de forme hexagonale, constituées de
feuillets chargés négativement (colloïde électronégatif) à leur surface ce qui leur confère un
pouvoir adsorbant des cations (chargés positivement) à leur surface. Les MO à leur tour
déchargent des cations H+ qui viennent se coller sur la surface des feuillets. Les argiles sont très
hydrophiles, c’est-à-dire qu’elles ont la capacité de se lier facilement avec l’eau. Parallèlement,
les MO ont une capacité importante de rétention d’eau, ceci a favorisé la saturation des argiles,
d’où l’augmentation du volume de bleu de méthylène absorbé.
A partir des données illustrées sur la Figure 83, on peut observer que les valeurs au bleu de
méthylène ont été légèrement affectées par l’augmentation de la teneur en MO mais sans avoir
d’impact direct sur la classification des sols selon le GTR (Tableau 45).
Tableau 45 : Classification de l’argile d’un sol selon VBS.
Selon les travaux de Otçu et al. [146], on observe une corrélation positive entre la valeur au
bleu de méthylène et l’indice de plasticité. D’autre part, nous avons observé dans cette étude
que la teneur en MO n’est pas corrélée avec l’indice de plasticité. De ce fait, l’absence d’impact
important de la teneur en MO sur la valeur au bleu de méthylène semble être évident.
Valeurs de VBS Matériaux
VBS ≤ 0,2 Sols sableux (sol insensible à l’eau)
0,2<VBS ≤ 2,5 Sols limoneux ( sol peu plastique et sensible à l’eau)
2,5<VBS ≤ 6 Sols limono-argileux (sol de plasticité moyenne)
6<VBS ≤ 8 Sols argileux
VBS >8 Sols très argileux
162
Chapitre 4
4. Influences des MO sur les caractéristiques mécaniques :
4.1. Essais de compactage et de Portance :
L'utilisation dans le domaine routier de matériaux nécessite une évaluation de leurs
paramètres mécaniques pour vérifier leur adaptabilité pour une utilisation future. Ainsi, on
effectue des essais Proctor, qui permettent de reproduire le compactage du matériau, et vont
déterminer la densité sèche ρd (t/m3) et la teneur en eau optimale WOPN (%). Ces valeurs sont
en rapport avec la compacité optimale, et donc un matériau plus résistant. On associe ce type
d’essai à la mesure de portance, permettant de contrôler la bonne tenue du matériau après la
mise en place, sous le passage des engins de chantier. La campagne d’essais a été réalisée sur
l’ensemble des mélanges du sédiment et d’ASCal (Figure 84). Pour mettre en avant la
variation de ρd en fonction de W (%), cinq (5) échantillons de teneurs en eau différentes (5 %
30 %) de chaque mélange ont été préparés et conservés avant l’essai dans des sacs
hermétiques pendant 24 h. Après avoir attendu 24 h, nous compactons les cinq échantillons
et enregistrons les mesures nécessaires pour tracer la courbe de ρd (t/m3) en fonction de W (%).
Ainsi, la campagne d’essais a été ensuite poursuivie sur l’ensemble des mélanges.
Les résultats de la compagne d’essais Proctor (normal et modifié) sur les mélanges du sédiment
et d’ASCal ont été respectivement présentés sur la Figure 85 (a), la Figure 85 (b), la
Figure 85 (c) et la Figure 85 (d).
Figure 84 : Préparation et compactage des échantillons.
163
Chapitre 4
Sur les Figures 85 (a, b, c, d), on observe que les courbes de compactage sont décalées vers la
droite et vers le bas suivant l’évolution de la teneur en MO des matériaux étudiés. Ce résultat
est confirmé pour les deux types de mélanges et du compactage. En termes de variation de
ρd (t/m3) en fonction de W (%), la même forme de courbe est enregistrée indépendamment de
la quantité de MO contenue dans les échantillons étudiés. On remarque aussi que le coté humide
de toute les courbes de compactage, indépendamment de la teneur en MO et du matériau brut
Figure 85 : (a) Courbes de compactage (Proctor Normal) des mélanges du sédiment ; (b) Courbes de
compactage (Proctor Normal) des mélanges d’ASCal ; (a) Courbes de compactage (Proctor Modifié) des
mélanges du sédiment ; (c) Courbes de compactage (Proctor Modifié) des mélanges d’ASCal.
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
(t/m
3)
W (%)
(a)
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
(t/m
3)
W (%)
(b)
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
(t/m
3)
W (%)
(c)
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
( t/
m3)
W (%)
(d)
164
Chapitre 4
utilisé dans les mélanges, est parallèle aux courbes de saturation (Sr= 100 %) respectives de
chaque mélange. Sur le côté sec des courbes, on observe un effet très important de W (%) sur
ρd (t/m3) pour tous les échantillons compactés, indépendamment de la teneur en MO et du
matériau brut utilisé dans les mélanges. Au vu des courbes de compactage, l’aptitude au
compactage diminuait proportionnellement à l’augmentation de la teneur en MO.
Malkawi et al. [71] ont également observé que les MO ajoutées (compost) au sol argileux
inorganique illitique à huit teneurs en MO (0 % ; 5 % ; 10 % ; 12,5 % ; 15 % ; 17,5 % ; 20 % et
30 % en masse) augmentent considérablement la teneur en eau nécessaire pour le compactage
et diminuent la densité sèche optimale. Une tendance similaire a été observée par Ekwue [81]
sur un autre type de sol (argileux siltieux) avec quatre teneurs en MO (0 % ; 4 % ; 8 % et 12 %
en masse). Sur un sol silico-argileux inorganique, Al-Kifae et Hamad [72] ont également
observé une tendance similaire.
4.1.1. Effets de MO sur la densité sèche et la teneur en eau à l’optimum Proctor (Normal/ Modifié) :
Sur les Figures 86 (a, b), on observe que ρd OPN/OPM (t/m3) décroît avec l'augmentation de
la teneur en MO, tandis que sur la Figure 86 (c, d), on remarque que les valeurs de WOPN/OPM (%)
augmentent avec l'augmentation de la teneur en MO. De ce fait, on peut faire le lien entre ce
qu’il a été observé concernant l’impact des MO sur la limite de liquidité, car cette dernière
augmente avec l’augmentation de la teneur en MO et le fait que l’ajout de MO augmente le
besoin en eau nécessaire pour un compactage idéal. D’après Soane [66], les MO augmentent la
capacité de rétention en eau ce qui explique en conséquence l’augmentation de WOPN/OPM (%)
et WL (%).
On remarque également que l'évolution des caractéristiques de compactage (ρd OPN/OPM ;
WOPN/OPM) est linéaire dans la gamme de teneurs en MO explorées sur les mélanges du sédiment
(5 % 15 %) et de la même façon sur les mélanges d’ASCal entre 1 % et 15 %.
On note que pour une quantité modérée de MO (jusqu'à 8 %), l’évolution de l'énergie du
compactage (Proctor normal/Proctor modifié) engendre une diminution relativement constante
de ρd OPN/OPM pour les mélanges étudiés. Cependant, pour une teneur élevée en MO (>10 %),
les effets de l’évolution de l'énergie du compactage semblent être réduits. Ce dernier résultat
est probablement dû au fait que les MO en excès dans les échantillons, absorbent en partie de
165
Chapitre 4
l'énergie transmise lors du compactage, ce qui limite l'impact de l'énergie du compactage sur la
densité sèche des échantillons.
Les résultats obtenus ci-dessus pour les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal
pourraient être étayés par différents travaux de recherche. Malkawi et al. [71] ont conclu que
ρd= -0,02 MO + 1,7
R² = 0,99
ρd= -0,03 MO + 1,8
R² = 0,99
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
4 6 8 10 12 14 16
ρd
OP
N/O
PM
(t/
m3)
Teneur en MO (%)
Proctor Normal Proctor Modifié
(a)
ρd = -0,03 MO + 1,9
R² = 0,98
ρd = -0,04 MO + 2,1
R² = 0,99
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
0 2 4 6 8 10 12 14 16
ρd
OP
N/O
PM
(t/
m3)
Teneur en MO (%)
Proctor Normal Proctor Modifié
(b)
WOPM = 0,71 MO + 13,5
R² = 0,97
WOPN = 0,46 MO + 16,3
R² = 0,96
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16
W O
PN
/OP
M(%
)
Teneur en MO (%)
Proctor Modifié Proctor Normal
(c)
WOPN = 0,58 MO + 13,7
R² = 0,85
WOPM = 0,95 MO + 8,4
R² = 0,96
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16
W O
PN
/OP
M(%
)
Teneur en MO (%)
Proctor Normal Proctor Modifié
(d)
Mélanges d’ASCal
Mélanges d’ASCal
Mélanges du sédiment
Mélanges du sédiment
Figure 86 : (a) La densité sèche à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la teneur en MO pour
les mélanges du sédiment ; (b) La densité sèche à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la
teneur en MO pour les mélanges d’ASCal ; (c) La teneur en eau à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en
fonction de la teneur en MO pour les mélanges du sédiment ; (d) La teneur en eau à l’optimum Proctor
(Normal et Modifié) en fonction de la teneur en MO pour les mélanges d’ASCal.
166
Chapitre 4
les particules organiques deviennent rigides lorsqu'elles sont comprimées, mais lorsqu'elles
absorbent l'eau, elles sont molles et spongieuses, ce qui explique la forme des courbes de
compactage pour les échantillons compactés à une teneur en MO plus élevée. Ekwue [81] a
observé que l'addition d’un matériau organique à un sol sableux limoneux et à un sol argileux
réduisait la densité sèche maximale et augmentait la teneur en eau optimale ainsi que les courbes
de compactage du sol argileux présentaient des valeurs plus faibles de densité sèche que le loam
sableux. Zhang et al. [147] ont observé, après l'ajout du compost à trois sols de composition
différente (sable, limon et argile), que l’aptitude au compactage diminuait proportionnellement
à l’augmentation de la teneur en MO.
4.1.2. Effets de MO sur l’indice de Portance Immédiat (IPI) :
En ce qui concerne la portance, l’indice de portance immédiat (IPI) a été mesuré selon la
norme NF P 94 078 sur deux éprouvettes compactées différemment pour chaque type de
mélange (Figure 87). Le premier type d’éprouvette a été compacté selon la méthode décrite
dans l’essai Proctor normal et le second type d’éprouvette a été compacté selon l’essai Proctor
modifié. L’IPI est classiquement mesuré pour évaluer l’aptitude d’un sol ou d’un matériau
artificiel à résister à la circulation des engins de chantier.
La Figure 88 (a, b, c, d) montre les courbes de l’IPI mesuré sur les deux types
d’éprouvettes compactées. En comparant l’allure des courbes, celles-ci sont décalées vers le
bas suivant l’évolution de la teneur en MO des matériaux étudiés. Ce résultat est valide pour
les deux types de mélanges et du compactage.
Figure 87 : Mesure de l’IPI sur un mélange d’ASCal.
167
Chapitre 4
Les valeurs d’IPI à l’optimum Proctor (normal et modifié) des mélanges du sédiment et
d’ASCal sont présentées, respectivement, sur la Figure 89 (a) et la Figure 89 (b). On peut
remarquer que lorsque le mélange du sédiment ou de l’ASCal a une teneur en MO plus
importante (15 %), sa capacité de portance chute de 60 % par rapport à celle du matériau brut
utilisé dans la création des mélanges.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
S S 7,5%S 10% S 12,5%S 15%
(a)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
A A 2.5%A 5% A 7.5%A 10% A 12.5%A 15%
(b)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
S S 7,5%S 10% S 12,5%S 15%
(c)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
A A 2.5% A 5%
A 7.5% A 10% A 12.5%
A 15%
(d)
ASCal
ASCal
Sédiment
Sédiment
Figure 88 : (a) L’IPI à l’optimum Proctor Normal en fonction de la teneur en eau pour les mélanges du
sédiment ; (b) L’IPI à l’optimum Proctor Normal en fonction de la teneur en eau pour les mélanges d’ASCal ;
(c) L’IPI à l’optimum Proctor Modifié en fonction de la teneur en eau pour les mélanges du sédiment ;
(d) L’IPI à l’optimum Proctor Modifié en fonction de la teneur en eau pour les mélanges d’ASCal.
168
Chapitre 4
Sur les éprouvettes compactées suivant l’essai Proctor modifié, on note une diminution
spectaculaire de la capacité portante (environ 80 %) pour l'échantillon de teneur en MO la plus
élevée (15 %) par rapport à celle du matériau brut utilisé dans les mélanges.
La capacité portante d’un matériau dépend fortement de son squelette granulaire et de la façon
dont ses grains se réorganisent lors du compactage.
Le caractère spongieux des particules organiques empêche d’avoir une compacité
optimale, et par conséquent, un matériau moins résistant. Les résultats obtenus permettent
l’observation d’une relation forte entre la capacité de portance et la compacité des matériaux
étudiés (Figure 90).
0
5
10
15
20
25
30
1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4
IPI
à l
'Op
tim
um
Pro
cto
r n
orm
al
( %
)
Densité séche à l'optimum Proctor normal (t/m3)
Figure 90 : IPI (%) en fonction de ρdOPN (t/m3).
IPIOPN (%) = -1,01 MO (%) + 21,5
R² = 0,90
IPIOPM (%) = -2,78 MO (%) + 44,4
R² = 0,94
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20
IPI
OP
N/O
PM
(%)
Teneur en MO(%)
Epouvettes compactées selon le Proctor Normal
Epouvettes compactées selon le Proctor Modifié
IPIOPN (%) = 20,1e-0,14 MO (%)
R² = 0,95
IPIOPM(%) = 24,4e-0,12 MO (%)
R² = 0,99
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20
IPI
OP
N/O
PM
(%
)
Teneur en MO (%)
Epouvettes compactées selon le Proctor Normal
Epouvettes compactées selon le Proctor Modifié
(b) (a)
Figure 89: (a) Indice de portance immédiat à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la teneur
en MO pour les mélanges du sédiment ; (b) Indice de portance immédiat à l’optimum Proctor (Normal et
Modifié) en fonction de la teneur en MO pour les mélanges d’ASCal
169
Chapitre 4
4.2. Essais œdométriques :
Pour cet essai, les mêmes étapes de préparation telles qu’effectuées sur le sédiment et
l’ASCal ont été appliquées sur les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal.
Les paliers de chargement sont les mêmes que ceux appliqués sur le sédiment et l’ASCal :
- Une première phase de chargement, avec des incréments de pression fixés à chaque
palier au double de la pression précédente pour enfin atteindre une contrainte supérieure
à la pression de pré-consolidation estimée à 533 kPa. Les paliers sont donc : 1,8 kPa ;
37,5 kPa ; 75 kPa ;150 kPa ; 300 kPa et 600 kPa ;
- Une phase de décharge, jusqu’à 150 kPa en suivant les mêmes incréments de pression ;
- Un rechargement, avec les mêmes incréments de pression jusqu’à 1200 kPa ;
- Le déchargement jusqu’à 150 kPa en suivant les incréments de pression fixés à chaque
phase, c’est à dire 1200 kPa ; 600 kPa ; 300 kPa et 150 kPa.
La relation entre la contrainte verticale effective (σ'v) et l’indice des vides (e) à la fin de
la consolidation primaire a été tracée pendant les étapes de chargement et de déchargement pour
les mélanges du sédiment et d’ASCal (Figure 91).
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1 10 100 1000 10000
e
σ′v (kPa)
A 10% Raw A
A 5% A 15%
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1 10 100 1000 10000
e
σ′v (kPa)
S 10% Raw S
S 7.5% S 12.5%
S 15%
Sédiment ASCal
Figure 91: (a) Courbes œdométriques pour les mélanges du sédiment ; (b) Courbes œdométriques pour les mélanges d’ASCal.
170
Chapitre 4
D'après la Figure 91, on peut voir que les MO ajoutées au sédiment et à l’ASCal déplacent les
courbes de compressibilité vers des valeurs d’indice des vides plus élevées. De plus, on peut
voir également qu'avec une plus grande quantité de MO, la pente dans le domaine sur consolidé
comme dans le domaine normalement consolidé augmente avec des valeurs croissantes de MO.
4.2.1. Effets de MO sur l’indice des vides :
En ce qui concerne l'évolution de l’indice des vides « e » avec la teneur en MO, la
Figure 92 montre la relation entre les deux paramètres cités ci-dessus. On peut voir que l’indice
des vides augmente avec l'augmentation de la teneur en MO et cela est valable dans les deux
mélanges. La tendance obtenue est bien confirmée par d’autres études similaires. Adejumo [85]
a observé que l’indice des vides initial des sols argileux organiques augmentait avec
l'augmentation de la teneur en MO. Une tendance similaire a été également observée par
Develioglu et Pulat [80] sur un autre type de sol (sols organiques) à quatre niveaux de teneur
en MO (0 % ; 4 % ; 7 % et 11 % en masse).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ind
ice
des
vid
es
Teneur en MO (%)
Mélanges S
(Develioglu, I., Pulat, H.F., 2017)
(Adejumo, 2012)
Mélanges AMélanges d’ASCal
Mélanges du sédiment
Figure 92: Effet des MO sur l’indice des vides des mélanges du sédiment et d’ASCal.
171
Chapitre 4
4.2.2. Effets de MO sur la pression de pré-consolidation :
Sur la Figure 93, la pression de pré-consolidation estimée à partir des courbes
œdométriques illustrées sur la Figure 91. Comme on peut le voir, la pression de pré-
consolidation diminue avec l'augmentation de la teneur en MO pour les mélanges du sédiment,
tandis qu’une légère stabilité est observée pour les mélanges d’ASCal. Comme évoqué
précédemment dans le chapitre II, l’essai Proctor normal est supposé induire une contrainte de
compression statique égale à 600 kPa, néanmoins la comparaison des résultats obtenus sur la
Figure 93 en termes de pression de pré-consolidation permet de constater que les valeurs
enregistrées sont plus faibles que la contrainte appliquée pendant le compactage. Cette
réduction de la pression de pré-consolidation a déjà été observée dans des essais œdométriques
sur les mâchefers [148]. De ce fait, on peut déduire que l'énergie transmise à l'échantillon est
partiellement absorbée par la déformation récupérable des MO qui induira une diminution de
l'efficacité du processus de compactage.
4.2.3. Effets de MO sur l’indice de compression et l’indice de recompression :
L'indice de compression (Cc) pour chaque échantillon a été mesuré sur la partie linéaire
de la courbe de compressibilité dans le domaine normalement consolidé. L'indice de
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Co
ntr
ait
e d
e P
réco
nso
lid
ati
on
σ'p
(k
Pa
)
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélanges AMélanges d’ASCal Mélanges du sédiment
Figure 93: Effet des MO sur la contrainte de pré consolidation pour les mélanges du sédiment et
d’ASCal.
172
Chapitre 4
recompression (Cs) est mesuré sur la partie linéaire de la courbe de compressibilité dans le
domaine sur-consolidé. L'évolution des valeurs obtenues par rapport à la quantité de MO est
représentée sur la Figure 94 (a) et la Figure 94 (b) respectivement pour l'indice de compression
et l'indice de recompression.
A partir des résultats obtenus, on peut voir que les deux paramètres augmentent avec
l'augmentation de la teneur en MO. Ce résultat est en accord avec les résultats de plusieurs
auteurs [80], [147]. McDonald [145] explique que l’augmentation de la compressibilité est le
résultat de l’augmentation de la capacité de rétention d’eau engendrée par l’ajout des MO, ce
qui permet d’avoir une plus grande mobilité des particules, notamment en ce qui concerne les
plaquettes minérales argileuses.
En termes d'interprétation des valeurs absolues des résultats obtenus, Sowers [149] a classé le
comportement de compressibilité des sols en fonction de l'indice de compression en trois
catégories (Tableau 46).
Tableau 46 : Comportement des sols selon leur indice de compression.
Etat Indice de compression
Légère ou faible compressibilité 0 0,19
Modéré ou intermédiaire 0,20 0,39
Haute compressibilité >0,40
0,1
0,125
0,15
0,175
0,2
0,225
0,25
0,275
0,3
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ind
ice d
e C
om
press
ion
«C
c»
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélanges A
0
0,025
0,05
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ind
ice d
e r
eco
mp
ress
ion
«C
s»
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélanges AMélanges d’ASCal Mélanges du sédiment Mélanges du sédiment Mélanges d’ASCal
(a) (b)
Figure 94: (a) Effet de MO sur l’indice de compression ; (b) Effet de MO sur l’indice de recompression.
173
Chapitre 4
De la Figure 94 (a) et le Tableau 46, il semble que les mélanges du sédiment se répartissent en
deux catégories : de 5 % à 7,5 % de MO, les échantillons sont considérés comme des matériaux
de légère ou faible compressibilité et de 10 % à 15 % de MO, d’une compressibilité modérée
ou intermédiaire. Pour les mélanges d’ASCal, on observe que les échantillons de 1 % à 10 %
sont considérés comme matériaux de légère ou faible compressibilité et l’échantillon d’ASCal
de 15 % de MO comme étant d’une compressibilité modérée ou intermédiaire (Tableau 47).
Tableau 47 : Effet de MO sur le compressibilité des matériaux.
4.3. Résistance au cisaillement :
Les essais à la boîte de Casagrande ont été réalisés à contraintes normales fixées de :
150 kPa ; 300 kPa et 600 kPa, permettant de se placer dans le domaine normalement consolidé.
Les essais ont été réalisés avec une vitesse de déplacement de 0,9 mm/min sur les mélanges du
sédiment et d’ASCal. Avant le cisaillement, les échantillons ont été préparés suivant les mêmes
étapes que pour l’essai œdométrique (Figure 95).
Matériaux Indice de compression Etat
Sédiment 0,162 Légère ou faible compressibilité
S 7,5 % 0,175 Légère ou faible compressibilité
S 10 % 0,21 Modéré ou intermédiaire
S 12,5 % 0,23 Modéré ou intermédiaire
S 15 % 0,29 Modéré ou intermédiaire
ASCal 0,112 Légère ou faible compressibilité
A 5 % 0,137 Légère ou faible compressibilité
A 10 % 0,19 Légère ou faible compressibilité
A 15 % 0,26 Modéré ou intermédiaire
Figure 95: Etapes de préparation des mélanges.
174
Chapitre 4
Le Tableau 48 regroupe les caractéristiques initiales des mélanges avant la réalisation de l’essai.
Tableau 48 : Caractéristiques initiales des mélanges avant la réalisation de l'essai de cisaillement.
La forme des courbes de cisaillement direct est globalement la même pour tous les mélanges
du sédiment et d’ASCal (Figure 96 (a ; b)). Encore une fois, il est à noter que la forme des
courbes de cisaillement correspond à la forme des échantillons normalement sur consolidés
plutôt que sur des échantillons consolidés.
Matériaux Indice des vides initial ρd (t/m3) Sr
Sédiment 0,47 1,55 97,51
S 7,5 % 0,49 1,50 98,74
S 10 % 0,53 1,43 96,13
S 12,5 % 0,58 1,37 98,22
S 15 % 0,69 1,28 97,84
ASCal 0,40 1,78 96,78
A 5 % 0,45 1,60 99,01
A 10 % 0,50 1,49 97,51
A 15 % 0,57 1,32 96,44
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 2 4 6 8 10 12 14
Rési
sta
nce a
u c
isa
iell
em
en
t( M
Pa
)
Déplacement horizontale (mm)
Raw SED 0.15 MPa Raw Sed 0.3 MPaRaw Sed 0.6 MPa S7.5% 0.15 MPaS7.5% 0.30 MPa S7.5% 0.60 MPaS10% 0.15MPa S10% 0.3MPaS10% 0.6 MPa S12.5% 0.15MPaS12.5% 0.3MPa S12.5 0.6MPaS15% 0.15MPa S15% 0.3MPaS15% 0.6MPa
s' = 0.30 MPa
s' = 0.60 MPa
s' = 0.15 MPa
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 2 4 6 8 10 12 14
Rési
sta
nce a
u c
isa
ille
men
t(M
Pa
)
Déplacement horizontale (mm)
A 15% 0.15 MPa A 15% 0.3 MPaA 15% 0.60 MPa Raw A 0.15 MPaRaw A 0.3 MPa Raw A 0.6 MpaA 5% 0.15 MPa A 5% 0.3 MPaA 5% 0.6 MPa A 10% 0.15 MPaA 10% 0.3 MPa A 10% 0.6 MPa
s' = 0.60 MPa
s' = 0.30 MPa
s' = 0.15 MPa
Sédiment Sédiment
Sédiment
ASCal ASCal ASCal
(a) (b)
Figure 96 : (a) Courbes de cisaillement direct pour les mélanges du sédiment ; (b) Courbes de cisaillement direct pour
les mélanges d’ASCal.
175
Chapitre 4
Le graphique de la contrainte de cisaillement par rapport à la contrainte normale effective
correspondant à la rupture est présenté sur la Figure 97 (a) et Figure 97 (b) respectivement pour
les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal. A partir des résultats obtenus, il semble que
la cohésion effective soit presque égale à zéro.
La variation de l'angle de frottement effectif (φ’) par rapport à la teneur en MO est donnée
à la Figure 98. L'angle de frottement effectif diminue avec des teneurs en MO comprises entre
5 % et 10 %. De 12,5 % de la teneur en MO, nous avons observé une augmentation de l'angle
de frottement. Landva et Pheeney [150] ont conclu que les fibres du sol peuvent produire un
effet de renforcement sur la matrice du sol, augmentant ainsi la résistance au cisaillement du
sol. Un phénomène similaire pourrait être l'explication de l'augmentation de l'angle de
frottement observée dans cette étude.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Rés
ista
nce
au
cis
ail
lem
ent(
MP
a)
Contrainte verticale effective (MPa)
Raw Sed S7.5% S10% S12.5% S15%
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Rési
sta
nce a
u c
isa
iile
men
t (M
pa
)
Contrainte verticale effective (MPa)
A15% Raw AA5% A10%
ASCal
(c) (d)
Sédiment
Figure 97 : (a) Contrainte de cisaillement en fonction de la contrainte normale effective pour les mélanges
du sédiment ; (b) Contrainte de cisaillement en fonction de la contrainte normale effective pour les
mélanges d’ASCal.
176
Chapitre 4
20
21
22
23
24
25
0 5 10 15 20
An
gle
de f
ro
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en
t in
tern
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°)
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélange AMélanges du sédiment Mélanges d’ASCal
Figure 98 : Effet de MO sur l’angle de frottement effectif.
177
Chapitre 4
5. Conclusions du chapitre :
Les travaux de recherche présentés dans ce chapitre, consistent à étudier l’influence des
MO sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage en
vue d’une valorisation en technique routière.
En se basant sur les travaux antérieurs, les guides d’application et les résultats obtenus, nous
avons effectué sur les mélanges d’ASCal et du sédiment un certain nombre d’essais physiques
et mécaniques, quelques conclusions ont été tirées :
Concernant les essais de limites d’Atterberg, les MO augmentent la limite de plasticité
et la limite de liquidité des mélanges étudiés. Une augmentation de 1 % de teneur en
MO engendre simultanément un accroissement de 2 % à 3 % de la valeur de limite de
liquidité et de limite de plasticité. Quant à l’indice de plasticité, dans les mélanges
étudiés, les MO n’affectent pas leur valeur en raison de la similitude d’impacts des MO
sur les limites de liquidité et de plasticité.
Selon le GTR, l’augmentation modérée des VBS reste sans aucun effet sur la
classification des mélanges étudiés (sols limoneux). Les valeurs mesurées varient entre
1,42 et 1,98. Ces valeurs se retrouvent dans la même classe des matériaux selon le GTR
dont les VBS sont comprises entre 0,2 et 2,5.
Concernant les essais de compactage, l’augmentation du taux des MO de 5 % à 15 %
engendre une diminution de l’aptitude des matériaux au compactage et une perte
d’environ 15 % de la densité sèche à l’optimum Proctor normal et d’environ 20 % de la
densité sèche à l’optimum Proctor modifié du sédiment. On note également que pour
une quantité modérée de MO (jusqu'à 8 %), l’évolution de l'énergie du compactage
(Proctor normal/Proctor modifié) engendre une diminution relativement constante de ρd
OPN/OPM pour les mélanges étudiés. Cependant, pour une teneur élevée en MO (>10 %),
les effets de l’évolution de l'énergie du compactage semblent être réduits. Ce dernier
résultat est probablement dû au fait que les MO en excès dans les échantillons, absorbent
en partie l'énergie transmise lors du compactage, ce qui limite l'impact de l'énergie du
compactage sur la densité sèche des échantillons.
Concernant les essais de portance, l’augmentation de taux de MO de 5 % à 15 % cause
une perte en portance d’environ 60 % pour un sédiment compacté à l’énergie Proctor
normal et d’environ 80 % lorsqu’il est compacté à l’énergie Proctor modifié.
178
Chapitre 4
Néanmoins, même à une teneur en MO équivalente à 12,5 %, les matériaux étudiés
présentent une portance moyenne de 10 ce qui pourrait être acceptable pour certaines
filières de valorisation.
Les essais œdométriques réalisés sur les mélanges du sédiment et d’ASCal, suivant une
méthodologie spécifique de préparation d’échantillons, ont permis d’observer l’impact
des MO sur l’indice des vides, la pression de pré-consolidation, l’indice de compression
et l’indice de recompression. A propos de l’indice des vides, l’augmentation du taux des
MO de 5 % à 15 % engendre un accroissement de l’indice des vides des mélanges
étudiés. Cette augmentation de l’indice des vides est expliquée par le caractère
spongieux des particules organiques incorporées dans les mélanges. Quant à la pression
de pré-consolidation, une réduction spectaculaire de pressions est produite par la
présence des MO dans les mélanges étudiés. En effet, la comparaison des résultats
obtenus en termes de pression de pré-consolidation permet de constater que les valeurs
enregistrées sont plus faibles que la contrainte appliquée dans la méthodologie
spécifique de préparation d’échantillons. De ce fait, on peut déduire que l'énergie
transmise à l'échantillon est partiellement absorbée par la déformation récupérable des
MO qui induira une diminution de l'efficacité du processus de compactage. En ce qui
concerne l’indice de compression et l’indice de recompression, la présence des MO dans
les matériaux étudiés permet de doubler leur aptitude à la compressibilité et au
gonflement pour une teneur en MO allant de 0 % jusqu’à 15 %.
A propos de la résistance au cisaillement, l’étude menée sur les mélanges du sédiment
et d’ASCal a montré que l'angle de frottement effectif augmente avec l’augmentation
du taux des MO entre 0 % et 15 %. Cette augmentation de l’angle de frottement effectif
est expliquée par le fait que les particules organiques peuvent produire un effet de
renforcement sur la matrice du matériau, augmentant ainsi sa résistance au cisaillement.
Au vu des similitudes observées entre les tendances obtenues dans les essais
œdométriques et de cisaillement de cette présente étude et celles obtenues par d’autres
travaux, la méthodologie utilisée pour préparer les échantillons aux essais œdométriques
et aux essais de cisaillement direct semble être adéquate.
CHAPITRE V :
Approche opérationnelle de la valorisation
des sédiments dans la construction routière
1. Introduction : ................................................................................................................... 181
2. Impact de la teneur en eau et la teneur en MO sur la préparation des sédiments : ......... 182
2.1. Réduire la teneur en eau des sédiments dragués : ................................................... 183
2.1.1. Séchage à l’air libre ou lagunage en bassin :.................................................... 183
2.1.2. Utilisation de sacs géotextiles : ........................................................................ 184
2.1.3. La filtration : ..................................................................................................... 184
2.1.4. Utilisation de la chaux : .................................................................................... 185
2.1.5. Séchage thermique : ......................................................................................... 186
2.1.6. Etude technique et économique pour le choix de procédé de déshydratation : 186
2.2. Réduire la teneur en MO des sédiments dragués : ................................................... 188
2.2.1. Traitement à la chaux : ..................................................................................... 188
2.2.2. Traitement au ciment : ...................................................................................... 189
2.2.3. Calcination : ..................................................................................................... 189
2.2.4. Etude technico-économique pour le choix de procédé pour éliminer les MO : 190
3. Impact du taux des MO sur la classification des sédiments dans une optique de
valorisation dans la technique routière : ................................................................................. 191
3.1. Les systèmes de classification américains : ............................................................. 191
3.1.1. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’AASHTO : ........... 191
3.1.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’ASTM D2487 : ..... 193
3.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon ESCS : ............................ 195
4. Impact du taux des MO sur les propriétés mécaniques :................................................. 198
4.1.1. Impact des MO sur le compactage et la portance : .......................................... 199
4.1.2. Impact du taux des MO sur le tassement : ....................................................... 200
4.1.3. Impact du taux des MO sur la résistance au cisaillement : .............................. 202
5. Impact du taux des MO sur la valorisation comme PST ou couche de fondation : ........ 204
5.1. Etude d’acceptabilité des mélanges en PST : .......................................................... 205
5.2. Etude d’acceptabilité des mélanges en couche de fondation : ................................. 206
6. Conclusion du chapitre: .................................................................................................. 209
180
Chapitre 5
181
Chapitre 5 1. Introduction :
Le choix du domaine routier pour la valorisation des sédiments est motivé par :
- Les besoins croissants en matériaux que ce domaine réclame chaque année ;
- Les possibilités d’utiliser dans ce domaine une large gamme de matériaux avec des
natures différentes ;
- Les caractéristiques physiques et mécaniques relativement modestes que ce domaine
impose pour certains usages dans la route ;
D’un point de vue économique, la valorisation des sédiments en technique routière permet :
- D’économiser les matériaux standards de carrières ;
- D’améliorer la gestion des sédiments qui est considéré (en sortie) comme un déchet ;
- D’inscrire l’usage de ces matériaux dans une démarche économie circulaire.
Au-delà du chapitre bibliographique où les sédiments (dont fait l’objet ce travail de recherche)
ont été définis et les problématiques de gestions ont été énumérées. Dans ce présent chapitre,
l’objectif principal est d’inscrire les travaux de recherche illustrés dans les chapitres 2 et 4 dans
une démarche de valorisation opérationnelle des sédiments. Un focus sur les impacts des MO à
chaque niveau de cette démarche globale sera discuté.
La démarche opérationnelle pour la valorisation des sédiments est organisée dans ce chapitre
selon le schéma proposé à la Figure 99. Cette démarche intègre après l’opération de dragage :
- Une première étape de caractérisation pour préciser l’état et la nature du matériau ;
- Une deuxième étape qui consiste, si nécessaire, de mettre en place un pré-traitement du
matériau ;
- Une troisième étape qui consiste à faire une caractérisation géotechnique et
environnementale des matériaux ;
- Une quatrième étape qui justifie ou pas, à travers la classification et un certain nombre
d’indicateurs l’acceptabilité ou pas des matériaux dans le domaine des travaux routiers ;
- Une cinquième étape qui intègre une étape de formulation et/ou de dimensionnement
des structures.
A différents niveaux de cette démarche opérationnelle de valorisation, les coûts sont évalués à
travers différentes solutions techniques que l’on peut avoir à disposition.
182
Chapitre 5 On peut rappeler que l’objectif final de cette approche n’est pas de recenser toutes les solutions
techniques existantes, ni d’imputer un coût exact à la solution proposée. On sait tous, qu’en
fonction du lieu, de l’environnement, du coût de l’énergie, de la disponibilité ou pas de l’espace,
du timing du projet et la pertinence d’une solution dans un environnement donné peut s’avérer
impossible à utiliser dans un autre environnement.
Figure 99 : Approche opérationnelle de valorisation des sédiment de dragage.
2. Impact de la teneur en eau et la teneur en MO sur la préparation des
sédiments :
Les sédiments, objet de ce travail de recherche, ont été dragués (cf. chapitre 1) dans le
Grand Port Maritime de Dunkerque au nord de la Région Hauts-de-France. Par la configuration
du bassin versant dont sont issus les sédiments, la dynamique des courants marins,
l’aménagement du port et du territoire, l’accumulation des sédiments dans le port, dans certains
endroits peut dépasser 1 cm de dépôt par jour. Aussi, de par les éléments de contexte cités ci-
dessus, les sédiments de dragage du GPMD sont de nature fine (en grande partie) et organique.
Selon le moyen utilisé pour le dragage de ces matériaux, l’état hydrique des sédiments
dragués est sensiblement impacté. Les sédiments fins du port de Dunkerque sont principalement
gérés à l’état de boue avec une teneur en eau dépassant les 150 %. Cependant, les teneurs en
eau habituelles des matériaux routiers (pour assurer un compactage efficace) n’excèdent pas, la
plupart du temps, 30 % (même pour des matériaux fins). Il est, alors, important pour des fins
de valorisation des sédiments de dragage dans la technique routière d’entreprendre avant la
phase de préparation des matériaux routiers, des opérations de prétraitement au vu de leur état
initial inapproprié au domaine de valorisation. Ces opérations de prétraitement visent plusieurs
objectifs :
183
Chapitre 5 2.1. Réduire la teneur en eau des sédiments dragués :
En raison de l’état initial (boue) des sédiments dragués, les opérations de déshydratation
ou de réduction de la teneur en eau des sédiments dragués permettent :
- Une réduction des tonnages à gérer ;
- Un meilleur conditionnement ;
- Une amélioration des propriétés géotechniques des matériaux ;
- Une acceptation des matériaux en filière ;
- Un gain pour le gestionnaire ou ses clients concernent les coûts de transport et du
stockage.
Plusieurs procédés de déshydratation sont utilisés :
2.1.1. Séchage à l’air libre ou lagunage en bassin :
Cette technique concerne principalement les produits de dragage extraits par drague
hydraulique. Les sédiments dragués sont versés dans les lagunes de décantation. Sous l’effet de
leur poids propre, les particules tendent à tomber et se déposer au fond. La décantation est
marquée par la clarification du liquide et la formation d’une boue concentrée au fond [19].
L’eau issue de la décantation est ensuite siphonnée et filtrée avant d’être utilisée dans d’autres
usages ou évacuée dans la nature. Les boues décantées au fond des lagunes subissent un séchage
à l’air libre et un labourage mécanique pour accélérer le processus du séchage. A l’issue de
Figure 100 : Séchage à l’air libre.
184
Chapitre 5 cette opération, les sédiments dragués peuvent avoir une teneur en eau jusqu’à 35 %
(Figure 100).
2.1.2. Utilisation de sacs géotextiles :
Cette technique concerne principalement les produits de dragage extraits par drague
hydraulique. Les sédiments dragués sont pompés et versés dans des sacs géotextiles. Des
polymères écologiquement fiables sont ajoutés à la boue, ce qui accélère le processus du
drainage de l’eau à travers des petites pores reparties sur toute la surface du sac géotextile [151]
(Figure 101).
2.1.3. La filtration :
Cette technique est considérée comme un procédé mécanique de déshydratation des boues
résiduaires. Elle est très utilisée dans le prétraitement des sédiments. Les boues injectées dans
la machine, subissent trois types de déshydratations : une déshydratation par gravité, une
déshydratation par petite pression et enfin une à haute pression [152] (Figure 102). Pour la
réalisation de la filtration, on a recours à des systèmes de filtrations comme le filtre presse ou
le filtre à bandes passantes.
Figure 101 : Sacs géotextiles [155].
185
Chapitre 5
Figure 102 : La filtration [152].
2.1.4. Utilisation de la chaux :
L’utilisation de la chaux dans le traitement des sédiments permet l’asséchement du
matériau sur place, une floculation des argiles, ainsi que l’amélioration des caractéristiques
mécaniques. La présence de la chaux génère une réaction chimique exothermique qui entraine
une évaporation d’une partie de l’eau contenue dans les sédiments. Cette technique de chaulage
n’est efficace que si le sédiment a une faible teneur en eau initiale.
L’efficacité du traitement à la chaux dépend du dosage appliqué (Figure 103) [153].
186
Chapitre 5
2.1.5. Séchage thermique :
Ce type de séchage repose sur deux méthodes :
Le séchage direct : les boues sont au contact de la source chaude et de l’air est injecté
directement pour permettre leur combustion. Il est, ensuite, nécessaire de procéder à un
traitement spécifique de cet air, chargé en polluants de toutes sortes [154].
Le séchage indirect : les boues sont chauffées par un fluide caloporteur circulant dans des
tuyaux parfaitement isolés. Cette technique permet un séchage total [154].
2.1.6. Etude technique et économique pour le choix de procédé de déshydratation :
Les procédés de déshydratation exposés précédemment présentent quelques avantages et
inconvénients. L’étude technique pour établir le procédé le plus adéquat, nécessite la
connaissance d’un certain nombre de paramètres tels que le degré de déshydratation obtenu à
la fin de l’opération et le coût.
D’après la Figure 104, la technique de lagunage présente le plus grand degré de déshydratation
après la technique de séchage thermique. Le lagunage est utilisé pour des grands volumes mais
son succès dépend fortement des conditions météorologiques (notamment du vent), de la
granulométrie et de la fréquence de retournement des sédiments. Tandis que les techniques de
Figure 103 : Effet de la chaux sur le séchage par évaporation [157].
187
Chapitre 5 chaulage, la filtration et l’utilisation des sacs géotechniques permettent d’avoir une
déshydratation moyenne mais engagent des moyens très importants.
Les coûts exprimés dans la Figure 105 concernent uniquement les montants
d’exploitation directs et non les investissements engagés pour la mise en œuvre des différentes
installations. La Figure 105 montre une variation très importante des coûts nécessaires pour la
déshydratation des sédiments de dragage. Le séchage thermique représente la technique la plus
coûteuse en raison de la consommation énergétique très importante, les coûts élevés de
maintenance, et les coûts du traitement des gaz dégagés. La technique de lagunage permet
d’avoir un très bon rapport (rendement/coût) en raison des coûts observés sur la Figure 105 et
le degré de déshydratation rapporté sur la Figure 104.
0 100 200 300 400
Lagunage
Séchage thermique
Filtration
Chaulage
Sac géotextiles
Cout HT (€)/t MS
Figure 105 : Coût des différents procédés.
Figure 104 : Degré de déshydratation par procédé.
0 20 40 60 80 100
Lagunage
Séchage thermique
(450°C)
Filtration
Chaulage 6%
Sacs géotextiles
Matière Sèche (%)
188
Chapitre 5 2.2. Réduire la teneur en MO des sédiments dragués :
Comme évoqué dans les chapitres précédents, les MO représentent, selon les différents
guides, une source d’influence sur les performances physiques et mécaniques des matériaux.
Dans ce qui suit, nous allons exposer les principaux procédés et pratiques de traitement déjà en
place pour y remédier. De plus, en fonction des observations des chapitres 2 et 4, la pertinence
de ces traitements peut être analysée.
2.2.1. Traitement à la chaux :
Cette technique permet le traitement des matériaux en place en grandes quantités. L’ajout
de chaux en quantités raisonnables modifie, à court terme, les paramètres géotechniques
affectés par la présence des MO dans le matériau [32], [155], [156] :
- Diminution de l’indice de plasticité ;
- Augmentation de l’indice de portance immédiat ;
- Diminution de la densité de l’optimum Proctor et augmentation de la teneur en eau
optimale.
L’ajout de la chaux permet aussi d’augmenter le pH du matériau (aux delà de 12). Cette valeur
du pH est nécessaire pour l’accomplissement de quelques réactions chimiques telles que la
réaction pouzzolanique.
7
8
9
10
11
12
13
14
0 1 2 3 4 5 6 7
pH
Dosage en chaux (%)
Sédiment brut (0h)Sédiment brut (24h)S 10% (0h)S 10% (24h)
Figure 106 : Utilisation de chaux pour stabiliser le pH.
189
Chapitre 5 Il est important de savoir que la présence des MO dans les matériaux induit un besoin en chaux
plus important pour atteindre un niveau de pH donné. La Figure 106 montre que pour un
matériau ayant une teneur en MO de 10 %, la quantité de chaux ajoutée pour stabiliser le pH
est nettement plus important que pour un matériau ayant une teneur en MO moins élevée.
2.2.2. Traitement au ciment :
Comme pour la chaux, le traitement peut également être fait en utilisant les ciments
courants (classes CEM I à V). Leurs caractéristiques sont définies par la norme NF EN 197-1.
Le traitement au ciment permet d’avoir quelques améliorations telles que l’augmentation de la
cohésion des grains du sédiment engendrée par la dissolution des différentes phases du clinker
qui provoque la formation des hydrates à la surface des grains du sédiment [157]. Le traitement
au ciment permet également d’atténuer l’effet de la présence des MO sur la plasticité du
matériau, cette évolution rhéologique revient à la formation d’hydrates, essentiellement les
silicates de calcium hydratés et des aluminates de calcium hydratés [158].
Le traitement à la chaux présente des privilèges dans le traitement des matériaux fins du fait
des coûts. Néanmoins, le ciment présente des avantages techniques d’avoir un effet plus rapide
et de meilleures résistances mécaniques que la chaux.
Les ciments ont été progressivement remplacés par les liants hydrauliques routiers, plus
appropriés aux conditions et aux exigences de mise en œuvre des matériaux de partie supérieure
de terrassement (PST), de remblais et de couches de forme [159].
2.2.3. Calcination :
Cette technique permet à la fois l’élimination directe des MO et les effets engendrés par
leur présence. Or, les procédés cités précédemment s’occupent uniquement d’améliorer un ou
quelques paramètres impactés par la présence des MO dans le matériau. Il est important de
rappeler que cette méthode peut être très énergivore et nécessite des installations sophistiquées
pour le traitement des gaz et doit être parfois associée à des traitements chimiques
complémentaires.
190
Chapitre 5 2.2.4. Etude technique et économique pour le choix de procédé pour réduire ou
éliminer les MO :
Comme mentionné dans l’introduction de ce chapitre, le choix d’une solution par rapport
à une autre peut être motivé par différents critères, on peut citer:
- La filière de valorisation ;
- La quantité de matériau traitée ;
- Les conditions météorologiques ;
- Les propriétés géotechniques initiales et celles souhaités après traitement ;
- Les recommandations des guides ;
- Le coût de traitement.
Sur le plan des coûts engendrés, les sommes exprimées dans la Figure 107 concernent
uniquement les montants d’exploitation directs et non les investissements engagés pour la mise
en œuvre des différentes installations.
Au regard des coûts mentionnés dans la Figure 107, il apparait illusoire d’utiliser le procédé de
calcination uniquement pour éliminer les MO, surtout si un préjudice environnemental n’est
pas à craindre. Dans le cadre de l’étude engagée dans ce travail, les critères environnementaux
pour une valorisation en technique routière (au regard de la règlementation actuelle), s’avèrent
vérifiés.
0 100 200 300 400 500 600
Calcination 450°C
Utilisation de chaux
Utilisation du ciment
Cout HT (€)/t MS
Figure 107 : Coût des procédés de traitement des MO.
191
Chapitre 5 3. Impact du taux des MO sur la classification des sédiments dans une
optique de valorisation dans la technique routière :
Comme évoqué dans le chapitre I, les systèmes de classification des sols ont été instaurés
pour répondre aux besoins des ingénieurs civils en terme de renseignements concernant le
comportement des sols. Ces renseignements sont nécessaires pour pouvoir prendre des
décisions rapides et efficaces, notamment dans le domaine de la construction routière. Les
systèmes des classifications fournissent les moyens de décrire les matériaux à travers leurs
propriétés en les regroupant en catégories. Les matériaux appartenant à la même catégorie,
présentent les mêmes caractéristiques géotechniques ou des caractéristiques très similaires. La
classification des matériaux repose généralement sur les caractéristiques physiques. Les
paramètres les plus souvent utilisés sont la teneur en MO, les limites d’Atterberg et l’analyse
granulométrique.
Les résultats obtenus dans le chapitre IV sur les sédiments et l’ASCal permettent
d’examiner l’impact des MO sur les principaux paramètres physiques nécessaires pour la
classification des matériaux et l’assimilation de leur comportent géotechnique pour un usage
routier.
Nous allons mettre le focus, dans ce qui suit, sur les paramètres clés utilisés par les
principaux systèmes de classification (Américains, International et Français) pour visualiser
l’impact des MO sur la classification des mélanges.
3.1. Les systèmes de classification américains :
Aux États-Unis, l'American Association of State Highway and Transportation Officials
(AASHTO) et l'American Society for Testing Materials (ASTM) sont les principales
organisations qui classent les matériaux. Des systèmes de classification supplémentaires ont été
mis au point par d'autres organisations, par exemple certains ministères de l'État.
3.1.1. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’AASHTO :
L’AASHTO est l'association qui représente les départements de transport de 50 états aux
États-Unis. Elle représente les cinq modes de transport : air, autoroutes, transport en commun,
rail et eau. La classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon les recommandations
de l'AASHTO est basée sur les exigences de construction liées à chaque mode de transport.
192
Chapitre 5 AASHTO M-145 classe les matériaux en 7 catégories, de A1 à A-7, sur la base de l'analyse
granulométrique et les limites d'Atterberg. L’indice de groupe (GI) est utilisé pour évaluer la
qualité d’un matériau. Un GI proche de zéro indique un bon matériau, alors qu’une valeur de
GI égale ou supérieure à 20 indique un matériau très mauvais.
Selon le système de classification américain AASHTO, les différents mélanges sont classés
comme étant des sols argileux (pour les mélanges du sédiment) et limoneux (pour les mélanges
d’ASCal) (Tableau 49). La qualité des sols limoneux-argileux peut varier de médiocre à bonne
dans chaque groupe de classification. Pour plus de détails, le GI est ajouté au symbole de sous-
groupes (Tableau 49) pour indiquer les propriétés plastiques des fines passant au tamis de
0,075 mm (n° 200). En général, plus la valeur du GI est élevée, plus la performance du matériau
analysé est mauvaise pour une utilisation en couche de fondation. A partir du Tableau 49, les
valeurs du GI varient entre 8 11 pour les mélanges du sédiment et entre 6 11 en ce qui concerne
les mélanges d’ASCal. Au vu des valeurs du GI, les mélanges du sédiment et d’ASCal auraient
des performances intermédiaires pour une utilisation en couche de fondation. De ce fait, la
limitation d'utilisation des matériaux peu organiques à organiques dans la construction routière
n’est pas justifiée dans la gamme des teneurs en MO explorée dans cette étude.
Tableau 49 : Classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon le système de classification des sols
AASHTO.
Matériaux WL
(%)
WP
(%)
IP
(%)
Passant à
travers
le tamis
No.10 (%)
Passant à
travers
le tamis
No.40 (%)
Passant à
travers
le tamis
No.200 (%)
GI Classification
S 5 % 29 17 12 100 99.51 79.11 8 A-6 Sol argileux
S 7.5 % 43 32 11 100 99.37 79.03 10 A-7-5 Sol argileux
S 10 % 48 34 14 100 99.24 73.51 11 A-7-5 Sol argileux
S 12.5 % 52 40 12 100 99.04 69.54 10 A-7-5 Sol argileux
S 15 % 62 50 12 100 98.76 66.43 10 A-7-5 Sol argileux
A 1.1 % 28 21 7 100 99.84 98.23 6 A-4 Sol limoneux
A 2.5 % 30 22 8 100 99.07 94.15 7 A-4 Sol limoneux
A 5 % 34 22 12 100 97.87 92.09 11 A-6 Sol argileux
A 7.5 % 38.5 28 10.5 100 97.25 88.39 10 A-4 Sol limoneux
A 10 % 44 35 9 100 96.15 84.71 10 A-5 Sol limoneux
A 12.5 % 49 41 8 100 94.57 80.84 10 A-5 Sol limoneux
A 15 % 54 44 10 100 91.21 77.17 11 A-5 Sol limoneux
193
Chapitre 5 3.1.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’ASTM D2487 :
Le système de classification USCS selon ASTM D2487 (American Society for Testing
Materials) classe les sols en fonction de la teneur en MO, la distribution granulométrique et les
limites d'Atterberg (Limite de liquidité et l’indice de plasticité). Les sols organiques et peu
organiques peuvent être classés en sous-catégorie des sols fins si leur distribution
granulométrique le permet (le pourcentage du passant au tamis de 75 µm doit être supérieur ou
égal à 50 %).
Les sols fins sont classés sur le graphe de plasticité en 6 catégories distinctes, sur la base de leur
indice de plasticité et de leur limite de plasticité (Figure 108).
Etant donné que le rapport (𝑊𝐿− 𝑊 )
(𝑊𝐿− 𝑊𝑛 ) est inférieur à 0,75 pour les mélanges du sédiment et
d’ASCal, ces mélanges sont classés selon l’USCS comme étant des sols organiques. Pour les
Figure 108 : Diagramme de plasticité pour la classification selon le système USCS.
194
Chapitre 5 sous-groupes, la classification est faite en s’appuyant sur les caractéristiques physiques (limite
de liquidité et indice de plasticité) obtenues dans le chapitre IV. Les mélanges étudiés sont
classés en sous-groupes comme indiqué ci-après (Figure 108) :
- Les mélanges du sédiment : nous observons que les mélanges du sédiment ayant une
teneur en MO comprise entre 5 % et 10 % sont classés comme étant des sols organiques
peu plastiques (OL). Les mélanges du sédiment ayant une teneur en MO supérieure à
10 % sont classés comme étant des sols organiques fortement plastiques (OH).
- Les mélanges d’ASCal : nous remarquons que la variation de la teneur en MO dans les
mélanges d’ASCal engendre plusieurs changements de catégories. Les mélanges
d’ASCal ayant une teneur en MO inférieure à 3 % sont classés comme étant des sols
limoneux-argileux peu plastiques (CL-ML). Les mélanges d’ASCal ayant une teneur en
MO comprise entre 5 % et 12,5 % sont classés comme étant des sols organiques peu
plastiques (OL), tandis que le mélange d’ASCal ayant une teneur en MO à 15 % est
classé comme étant un sol organique fortement plastique (OH).
A partir du Tableau 50, le système de classification USCS estime que la compressibilité des
mélanges du sédiment est moyenne lorsque leur teneur en MO ne dépasse pas 10 % et devient
forte lorsque leur teneur en MO dépasse 12,5 %. Les essais œdométriques (Figure 95 (a))
effectués sur les mélanges et les travaux de Sowers [149] (Tableau 46) permettent de classer
les mélanges du sédiment selon leur indice de compression. Les mélanges du sédiment se
répartissent en deux catégories: de 5 % à 7,5 % de MO, les échantillons sont considérés comme
des matériaux de légère ou faible compressibilité et de 10 % à 15 % de MO, d’une
compressibilité modérée ou intermédiaire. Quant aux mélanges d’ASCal, le système de
classification USCS estime que leur compressibilité est moyenne lorsque leur teneur en MO est
inférieure ou égale 12,5 % et devient forte lorsque leur teneur en MO est égale à 15 %. Comme
pour les mélanges du sédiment, un état de compressibilité différent (moins important) est
observé à partir des essais œdométriques et les travaux de Sowers [149] (Tableau 46). En effet,
les mélanges d’ASCal ayant une teneur en MO inférieure ou égale à 12,5 % sont considérés
comme matériaux de légère ou faible compressibilité et l’échantillon d’ASCal de 15 % de MO
comme étant d’une compressibilité modérée ou intermédiaire.
195
Chapitre 5 Tableau 50 : Impact des MO sur la classification et l'ouvrabilité des mélanges selon le système de classification
USCS.
En ce qui concerne la résistance au cisaillement, le système de classification USCS estime que
les mélanges ayant une teneur en MO supérieure à 2,5 % ont une faible résistance au
cisaillement, bien que les essais de boite de cisaillement présentés dans le chapitre IV montrent
une augmentation de la résistance au cisaillement. L’USCS estime une faible ouvrabilité dans
la technique routière pour les mélanges ayant une teneur en MO supérieure à 2,5 %.
3.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon le système de classification international (ESCS) :
Le système de classification des sols (ESCS) est également fourni par l'Organisation
internationale de normalisation dans l’ISO 14688-1:2017 et l’ISO 14688-2:2017. Il utilise la
distribution granulométrique et l’indice de plasticité pour classer les sols. Ce système fait une
distinction entre les sols faibles en MO (teneur en MO entre 2 % et 6 %), les sols de teneur en
MO moyenne (teneur en MO entre 6 % et 20 %) et sols riches en MO (teneur en MO supérieure
à 20 %).
Matériaux Catégorie Compressibilité
Résistance
au
cisaillement
Ouvrabilité
dans la
technique
routière
S 5 % OL
Moyenne
Faible Faible
S 7,5 % OL
S 10 % OL
S 12,5 % OH Forte
S 15 % OH
A 1,1 % CL
Moyenne
Acceptable Bonne A 2,5 % CL
A 5 % OL
Faible Faible
A 7,5 % OL
A 10 % OL
A 12,5 % OL
A 15 % OH Forte
196
Chapitre 5
La classification des mélanges issue de ce système (Figure 109) est similaire à celle déterminée
par le système américain USCS avec une spécificité pour le système ESCS concernant les
appellations des sous-groupes (Tableau 51).
Tableau 51 : Classification des mélanges étudiés selon l’USCS et l’ESCS.
Matériaux Classification USCS Classification ESCS
S 5 %
OL
CiL
S 7,5 % SiL
S 10 %
S 12,5 % OH SiH
S 15 %
A 1,1 % CL
CiL A 2,5 %
A 5 %
OL A 7,5 %
SiL A 10 %
A 12,5 %
A 15 % OH SiH
Figure 109 : Classification des mélanges selon le systeme de classification ESCS.
197
Chapitre 5 3.2.1.1. Impact des MO sur la classification des mélanges selon le Guide
Français de Terrassement Routier (GTR) :
Selon le Guide de Terrassement Routier (GTR), les matériaux ayant une teneur en MO
supérieure à 3 % sont classés à part en classe F avec les sous-produits industriels. Cette catégorie
est ensuite divisée en plusieurs sous-catégories selon le taux de MO contenu dans les matériaux,
l’origine et la provenance des matériaux.
Les matériaux ayant une teneur en MO comprise entre 3 % et 10 % sont classés comme étant
F11 et les matériaux ayant une teneur en MO supérieure à 10 % sont classés comme étant F12.
Les mélanges étudiés appartiennent à la classe F et plus particulièrement à la sous-classe F11 et
F12 (Tableau 52).
Tableau 52 : Classification des mélanges selon le GTR.
Du point de vue granulométrique, les deux types de mélanges se classent comme étant des sols
fins, assimilés à la classe « A » dont le diamètre maximal est inférieur à 50 mm et la proportion
de fine (passant à 80 μm) est supérieure à 35 % (Tableau 53).
Tableau 53 : Paramètres physiques des mélanges du sédiment et d’ASCal.
Matériaux S
5%
S
7,5%
S
10%
S
12,5%
S
15%
A
1,1%
A
2,5%
A
5%
A
7,5%
A
10%
A
12,5%
A
15%
Classification
du GTR
selon la
teneur en
MO (%) des
matériaux
F11 F11 F11 F12 F12 F11 F11 F11 F11 F11 F12 F12
Matériaux IP (%) VBS
(g/cm3)
Passant à
80 µm (%)
S 5 % 12 0,93 79,11
S 7,5 % 11 1,09 79,03
S 10 % 14 1,39 73,51
S 12,5 % 12 1,38 69,54
S 15 % 12 1,49 66,43
A 1,1 % 7 1,42 98,23
A 2,5 % 8 1,46 94,15
A 5 % 12 1,59 92,09
A 7,5 % 10.5 1,64 88,39
A 10 % 9 1,79 84,71
A 12,5 % 8 1,93 80,84
A 15 % 10 1,98 77,17
198
Chapitre 5 La sous-classe est déterminée en fonction de l’activité argileuse (VBS) et du caractère plastique
(IP) de la fraction granulométrique de taille inférieure ou égale à 80 µm. Ainsi, il est possible
de classer les mélanges selon leurs paramètres de nature en sous-classes A1F11 (Figure 110).
Les travaux de Limsiri [160] sur les argiles organiques démontrent la possibilité d’utilisation
de ces matériaux dans la technique routière, même si, les principaux systèmes de classification
estiment que l’usage de ces matériaux dans la construction routière n’est pas adaptée au vu de
leurs caractéristiques physiques et mécaniques inappropriées.
4. Impact du taux des MO sur les propriétés mécaniques :
L'ouvrabilité, l'aptitude au compactage et la portance du matériau sont des paramètres très
importants pour étudier l’acceptabilité de ce matériau à être utilisé dans la construction routière.
Les matériaux utilisés dans la construction routière nécessitent l'excavation, le transport, la mise
en place et le compactage. Ces opérations doivent être prises en compte dans la construction
Figure 110 : Classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon le GTR [32].
199
Chapitre 5 routière, ce qui est important pour estimer le coût et le temps requis pour l’opération. La
capacité des engins à fonctionner efficacement et l'effet des éventuels traitements sur les
performances mécaniques du matériau affecte également les coûts.
Comme pour les paramètres physiques, les résultats obtenus dans le chapitre IV permettent
d’examiner l’impact des MO sur les principaux paramètres mécaniques primordiaux pour le
calcul de la portance, le tassement et la résistance au cisaillement.
4.1.1. Impact des MO sur le compactage et la portance :
L'utilisation dans le domaine routier de matériaux nécessite une évaluation de leurs
paramètres mécaniques pour vérifier leur adaptabilité pour une utilisation future. Ainsi, on
effectue des essais Proctor, qui permettent de reproduire le compactage du matériau, et pour
déterminer la densité sèche ρd (t/m3) et la teneur en eau optimale WOPN (%). Ces valeurs sont
en rapport avec la compacité optimale, et donc un matériau plus résistant. On associe ce type
d’essai à la mesure de portance, permettant de contrôler la bonne tenue du matériau après la
mise en place, sous le passage des engins de chantier.
Du point de vue de l’état hydrique, les mélanges du sédiment et d’ASCal sont classés
selon leur indice de Portance Immédiat IPI à l’optimum Proctor normal et leur teneur en eau à
l’OPN (Tableau 54).
Tableau 54 : Paramètres d’état hydrique des mélanges du sédiment et d’ASCal.
Matériaux IPI WOPN
( %)
Sous
classes
S 17 18,62 A1m
S 7,5 % 12 20,18 A1m
S 10 % 10,5 20,74 A1m
S 12,5 % 9 22,40 A1m
S 15 % 7 23,10 A1h
A 7 15,28 A1m
A 2,5 % 8 15,04 A1m
A 5 % 12 16,74 A1m
A 7,5 % 10,5 18,11 A1h
A 10 % 9 18,11 A1h
A 12,5 % 8 19,51 A1h
A 15 % 10 26,66 A1h
200
Chapitre 5 D’après les résultats obtenus des essais de compactage et de portance (Tableau 54) ainsi que le
tableau de classification selon l’état hydrique fourni par le GTR [32], les mélanges sont classés
en deux sous classes A1m et A1h.
- A1h : ces sols sont difficiles à mettre en œuvre en raison de leur portance faible. Ils sont
sujets au matelassage. Le matelassage est à éviter au niveau de l’arase-terrassement
[32] ;
- A1m : ces sols s’emploient facilement mais sont très sensibles aux conditions
météorologiques qui peuvent très rapidement interrompre le chantier à cause d’un excès
de teneur en eau ou au contraire conduire à un matériau sec difficile à compacter [32].
D’après le GTR [32], ces matériaux peuvent être utilisés en remblai sans traitement, ils changent
brutalement de consistance pour de faibles variations de teneur en eau. Le temps de réaction
aux variations de l’environnement hydrique et climatique est relativement court, mais la
perméabilité pouvant varier dans de larges limites selon la granulométrie, la plasticité et la
compacité, le temps de réaction peut tout de même varier assez largement.
Pour une utilisation dans la partie supérieure des terrassements, le GTR préconise un traitement
au liant hydraulique routier.
4.1.2. Impact du taux des MO sur le tassement :
Selon le GTR [32], la présence des MO dans un matériau destiné à la construction d’un
remblai routier présente certaines contraintes directement liées à la compressibilité. Ces
difficultés se présentent sous la forme de tassements et un gonflement latéral ou frontal
indiquant une amorce de rupture du remblai en cours de construction.
Selon les essais œdométriques effectués sur les mélanges du sédiment, l’augmentation du taux
des MO de 7,5 % à 15 % double l’aptitude du sédiment au tassement et un peu moins pour le
gonflement comme illustrée par les valeurs de l’indice de compression ou de l’indice de
gonflement (Tableau 55).
Si on se base sur la pression de pré-consolidation telle que mesurée dans l’essai œdométrique
au laboratoire (on rappelle que cette mesure a été faite après compactage selon la procédure
Proctor normal) jusqu’à une hauteur de l’ordre de 5,5 m, les contraintes verticales dues au poids
du remblai restent inférieures à la pression de pré-consolidation induite par le compactage. De
ce fait, le matériau ne peut subir que des déformations faibles entre son état de contrainte
201
Chapitre 5 actuelle et l’état de consolidation normale. Pour des hauteurs de remblai plus importantes, on
peut se retrouver dans le cas où les contraintes induites par le poids du remblai sont supérieures
à la pression de pré-consolidation produite par le compactage. Dans ce cas, on peut s’attendre
à des tassements dans le domaine normalement consolidé du matériau. Pour évaluer l’impact
des valeurs des indices de compression, un calcul simplifié est réalisé sur la base du remblai tel
que montré sur la Figure 111. Ce remblai à une hauteur de 7 m (ce qu’est déjà un remblai de
hauteur significative) et on suppose qu’il est constitué du même matériau sur toute son épaisseur
et réalisé par compactage de couches successives. Il est à rappeler que l’objectif de ce calcul
est non pas de faire un calcul précis et complexe mais d’évaluer les différences selon les deux
matériaux différents par leurs caractéristiques. Aussi pour l’édification de tels remblais d’autres
configurations plus avantageuses pour limiter les tassements peuvent être préconisées (remblai
en multicouche, renforcement du matériau, …).
Pour le calcul des tassements, nous avons subdivisé le remblai en plusieurs tranches d’un mètre
et considéré que nous n’avons pas d’effet d’une saturation partielle sur les coefficients
introduits dans les calculs.
Sur la base de la configuration du remblai telle que présentée dans la Figure 111 et les
paramètres utilisés du Tableau 55, le tassement prédit pour le cas où le matériau utilisé est le
S 7,5 % est de l’ordre de 0,8 cm et dans le cas du matériau S 15 % est de l’ordre de 1 cm. Cela
montre encore une fois que le taux des MO dans les configurations étudiées a peu d’influence
sur le dimensionnement ou le comportement enregistré du remblai.
Figure 111 : Talus en sédiment de dragage.
202
Chapitre 5 Tableau 55: Tableau de calcul des tassements
4.1.3. Impact du taux des MO sur la résistance au cisaillement :
Plusieurs travaux ont affirmé l’effet des MO sur la résistance au cisaillement pour les sols
ayant une très importante teneur en MO. Dans le cas de notre étude sur les sédiments de dragage,
nous avons observé suite aux essais de boite de cisaillement effectués dans le chapitre IV que
l'angle de frottement effectif diminue avec des teneurs en MO comprises entre 5 % et 10 %.
Au-delà de 10 % de teneur en MO, une augmentation de l'angle de frottement effectif est
observée. Landva et Pheeney [150] ont conclu que les fibres du sol peuvent produire un effet
de renforcement sur la matrice du sol en augmentant ainsi la résistance au cisaillement du sol.
Un phénomène similaire pourrait être l'explication de l'augmentation de l'angle de frottement
observée dans cette étude. A partir des résultats obtenus, il semble que la cohésion effective
soit presque égale à zéro.
Pour étudier l’impact du taux des MO sur la stabilité des talus contre les glissements, nous
allons calculer le coefficient de sécurité Fs. Ce paramètre permet d’apprécier la marge de
sécurité vis-à-vis de la rupture [161].
En se référant aux valeurs du coefficient de sécurité, on peut évaluer l’état de stabilité des talus
comme le montre le Tableau 56 :
Tableau 56 : Equilibre des talus en fonction des valeurs théoriques du coefficient de sécurité [161].
Paramètres S 7,5 % S 15 %
Contrainte de pré consolidation ( kN/m²) 90 80
Indice des vides initial 0,58 0,8
Coefficient de compression 0,175 0,29
Coefficient de recompression 0,02 0,025
Masse volumique absolue des particules solides (t/m3) 2,55 2,43
Contrainte effective à d’état initial ( kN/m²) 91,62 87,88
Contrainte effective à d’état final ( kN/m²) 179,62 175,88
∆h (m) 0,008 0,01
Coefficient de sécurité Etat de l’ouvrage
Fs<1 instable
Fs=1 Stabilité limite
1<Fs<1,25 Sécurité contestable
1,25<Fs<1,4
Sécurité satisfaisante pour les ouvrages peu
importants. Pour les talus des carrières à ciel
ouvert, la sécurité du talus est contestable.
Fs>1,4 Sécurité satisfaisante
203
Chapitre 5 L’impact du taux des MO sur la stabilité des talus est étudié sur un talus de forme géométrique
simple (Figure 112). Le coefficient de sécurité est calculé suivant l’équation suivante :
𝐹𝑠 =tan 𝜑′
𝑡𝑎𝑛 𝛽 Équation 10
Les valeurs du coefficient de sécurité selon les configurations des talus (1/2 ; 1/3 ;1/4) sont
mentionnées sur le Tableau 57.
Tableau 57 : Valeurs du Fs selon le taux des MO et la configuration des talus.
A partir des résultats du Tableau 57, il est possible d’observer que la stabilité des talus n’est
pas satisfaisante qu’à partir d’une configuration de 1/4. Il est noté que l’augmentation des taux
des MO de 5 % jusqu’à 15 % n’affecte pas l’état initial de l’ouvrage.
Matériaux
Fs pour
Talus en
2/1
Fs pour
Talus en
3/2
Fs pour
Talus en
1/1
Fs pour
Talus en
1/2
Fs pour Talus
en 1/3
Fs pour
Talus en 1/4
S 0,23 0,64 0,78 0,88 1,39 1,95
S 7,5 % 0,21 0,58 0,70 0,80 1,25 1,76
S 10 % 0,19 0,54 0,66 0,74 1,17 1,64
S 12,5 % 0,20 0,56 0,69 0,77 1,22 1,71
S 15 % 0,21 0,60 0,71 0,81 1,27 1,80
Etat de
l’ouvrage Instable
Sécurité
contestable
Sécurité
satisfaisante
Figure 112 : Paramètre géométrique d’un talus.
204
Chapitre 5 5. Impact du taux des MO sur la valorisation comme PST ou couche de
fondation :
Le rôle de la structure multicouche de la chaussée est de repartir la pression exercée par
le pneumatique. Elle se compose de trois parties principales (Figure 113) :
- Plate-forme : elle se compose du sol-support ou partie supérieure de terrassement
(PST) surmonté généralement par une couche de forme qui assure pendant les travaux
la protection du sol-support contre la pluie et les effets de cycle gel-dégel, ainsi que
l’assurance d’une bonne qualité du nivellement pour la circulation des engins. Après la
fin des travaux, la couche de forme permet une bonne répartition des caractéristiques
mécaniques des matériaux constituant le sol ou le remblai et d’améliorer la portance à
long terme (Figure 113).
- Corps de chaussée : elle englobe la couche de base et la couche de fondation. Cette
couche assure le rôle de réception des charges produites par le trafic et la transmission
vers la plate-forme afin de maintenir les déformations à un niveau admissible
(Figure 113).
Figure 113 : Différentes couches d'une route.
205
Chapitre 5 - Couche de surface : elle englobe la couche de roulement et éventuellement une couche
de liaison. Cette couche permet transmettre les contraintes vers le corps de chaussée et
sa protection contre les infiltrations des eaux (Figure 113).
5.1. Etude d’acceptabilité des mélanges en PST :
Dans cette partie, nous abordons l’acceptabilité des mélanges du sédiment et d’ASCal
dans la réalisation de la partie supérieure de terrassement (PST) et l’arase des terrassements
(ARj) d’une route. La détermination de la classe de la partie supérieure des terrassements
symbolisée par un numéro n° i (PST) nécessite la connaissance de la classe géotechnique du
sol naturel en place et de son état hydrique si ce dernier est sensible à l’eau [32].
Selon le GTR, seuls les matériaux ayant une teneur en MO inférieure à 10 % sont acceptés pour
être utilisés dans la PST mais au vu de la classification géotechnique et l’état hydrique des
mélanges du sédiment et d’ASCal, ces derniers peuvent être utilisés dans la PST. Le Tableau 58
répertorie les classes de PST :
Tableau 58: Classes de PST
Suivant le Tableau 58, les mélanges du sédiment et d’ASCal peuvent être valorisé en PST selon
deux classes : PST n°1 et PST n°2.
Matériaux IPI WOPN (%) PST n°i
S 17 18,62 PST n°2
S 7,5 % 12 20,18 PST n°2
S 10 % 10,5 20,74 PST n°2
S 12,5 % 9 22,40 PST n°2
S 15 % 7 23,10 PST n°1
A 7 15,28 PST n°2
A 2,5 % 8 15,04 PST n°2
A 5 % 12 16,74 PST n°2
A 7,5 % 10,5 18,11 PST n°1
A 10 % 9 18,11 PST n°1
A 12,5 % 8 19,51 PST n°1
A 15% 10 26,66 PST n°1
206
Chapitre 5 5.2. Etude d’acceptabilité des mélanges en couche de fondation :
Pour être valorisés en couche de fondation, les sédiments doivent satisfaire plusieurs
critères. Selon les recommandations de la norme NF P 98 115, afin d’assurer la circulation
normale des engins sur le chantier, les valeurs souhaitables de l’IPI ne doivent pas être
inférieures à 35 % pour la couche de fondation (Figure 114).
Les valeurs d’IPI obtenues dans le chapitre IV sont illustrées sur le Tableau 59 :
Tableau 59: Valeurs d'IPI pour les mélanges du sédiment
A partir des résultats du Tableau 59 et les recommandations de la norme NF P 98 115
(Figure 114), il est possible d’observer que les mélanges du sédiment en état initial ne
présentent pas les performances mécaniques nécessaires pour qu’ils puissent être utilisés en
couche de fondation. Pour améliorer les propriétés géotechniques, les matériaux doivent être
traités.
Les travaux de recherche menés par Achour [22] montrent la possibilité d’utiliser en
couche de forme un sédiment marin ayant des paramètres physiques et mécaniques similaires à
ceux de S 10% (Tableau 60). A l’issue de cette étude, une route de 550 mètres de longueur et
7 mètres de largeur a été construite à partir des sédiments du GPMD (IPI en état initial= 31).
Matériaux S S 7,5 % S 10 % S 12,5 % S 15 %
IPI 17 12 10,5 9 7
Figure 114 : Critère de l’IPI pour les différentes couches de chaussée [111].
207
Chapitre 5 Tableau 60 : Principaux paramètres du sédiment d’Achour et celui de la présente étude.
Avant l’utilisation du sédiment en couche de forme, il a subi quelques traitements (Figure 115):
- Ajout d’une couche de sable de dragage de 20 cm de l’épaisseur en dessous de la couche
du sédiment marin de 10 cm d’épaisseur.
- Le sédiment et le sable de dragage ont été traités à la chaux à une proportion de 1%
(6 kg/m²).
- Un LHR à une proportion de 6% (36 kg/m3) a été ajouté au trois constituants après les
avoir malaxés.
Propriétés Sédiment de R. Achour [22] Sédiment de notre étude
Grain < 2µm (%) 12 18.87
2µm< grains<63 µm (%) 53 56,74
63 µm <grains (%) 35 24,39
Teneur en MO (%) 9,4 10
Masse volumique absolue (g/cm3) 2,75 2,51
Valeur au bleu de méthylène (g/cm3) 3,7 1,39
Indice de plasticité (%) 32,5 14
Indice de portance immédiat 31 15
Figure 115 : Structure de la chaussée à base du sédiment marin.
1/3 Sédiment marin
+
2/3 Sable de dragage
Couche de base (6cm)
Couche de roulement (5cm)
Cou
che
de
fon
dati
on
Traitement à la chaux +
Malaxage +
Traitement à 6% du
LHR +
Malaxage
30 cm
208
Chapitre 5 Pour améliorer la portance des mélanges du sédiment, nous optons pour un traitement (chaux +
LHR) similaire à celui utilisé dans l’étude d’Achour [22] et un système en multicouche
ressemblant à celui utilisé dans les travaux de Limsiri [160] sur les sols argileux très organiques.
La Figure 116 illustre la disposition de la chaussée contenant une couche de fondation en
mélange du sédiment. Cette disposition permet de compenser l’affaiblissement de la portance
engendré par la présence des MO.
Figure 116 : Disposition de la chaussée contenant une couche de
fondation en mélange du sédiment.
209
Chapitre 5 6. Conclusion du chapitre:
Dans ce chapitre, nous avons développé une approche opérationnelle de valorisation des
sédiments ayant une teneur en MO plus importante que celle recommandée par les guides
routiers, ainsi que la qualification précise des solutions proposées de traitement et d’utilisation.
Ce travail a permis de tirer plusieurs conclusions :
- Les teneurs limites de MO dans les matériaux routiers ne sont pas les mêmes pour tous
les différents systèmes de classification.
- Selon les différents systèmes de classification explorés dans cette étude, les matériaux
étudiés se classent dans des catégories très similaires indépendamment du taux de MO
(dans la gamme des valeurs explorées dans cette étude).
- D’après la classification GTR, les matériaux de l’étude peuvent être utilisés en remblai
sans traitement.
- Selon le système de classification AASHTO, l’augmentation de la teneur en MO des
mélanges n’a pas d’effet sur leur classification.
- Selon les deux systèmes de classification USCS et ESCS, l’augmentation de la teneur
en MO engendre des changements dans la classification des matériaux de l’étude mais
ils restent utilisables dans quelques filières routières sans traitement.
- La présence des MO dans les sédiments engendre des tassements très faibles, dans les
configurations de remblais envisagés, en comparaison à d’autres matériaux.
- En raison de l’impact très modérée des MO sur les angles de frottement des matériaux
et des cohésions, la stabilité des talus n’est que très peu voire non affectée.
- Pour une utilisation en couche de fondation ou de formes, des études récentes ont montré
que le caractère organique des sédiments utilisés dans des formulations adaptées,
n’affecté pas les propriétés d’usage. Des chantiers à l’échelle réelle ont été menés avec
succès.
210
Chapitre 5
211
CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES
La présente étude a été réalisée dans le but de déterminer l’impact des matières organiques
sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage, ainsi que
la pertinence des essais de caractérisation des matières organiques et, enfin, pour développer
une approche opérationnelle de valorisation des sédiments dans la construction routière, en
abordant l’impact du taux des matières organiques sur la classification des matériaux et l’étude
de certaines variantes dans le cycle de valorisation.
L’état de l’art (chapitre I) entrepris sur les matières organiques dans les sédiments amène
à conclure que la composition physico-chimique des matières organiques est très complexe et
variée. La composition des matières organiques dépend essentiellement de l’origine, du type,
du taux de minéralisation et d’humification ainsi que de la multiplicité d’interaction entre
matières organiques et différents composants des sédiments.
Les matières organiques présentes dans les sols, les déchets et les sédiments (en particulier)
sont ainsi très hétérogènes et complexes. Cette variabilité s’observe bien évidemment entre
deux sédiments différents par leur type (marins et fluviaux), mais également sur le même
sédiment. Ce qui rend très complexe la caractérisation des matières organiques dans les
sédiments. De plus, l’état de l’art entrepris sur la caractérisation des matières organiques dans
les sols ou les sédiments a conduit à la classification des essais en deux familles : Essais
thermiques et essais chimiques.
En ce qui concerne le choix des matériaux de l’étude, un travail de recherche a été fait pour
regrouper les principales méthodologies utilisées dans la littérature scientifique en fonction des
besoins de notre étude.
A l’issue de la pré-étude présentée au début du chapitre II concernant la méthodologie
utilisée pour le choix des matériaux de l’étude, la méthode d’amendement semble avoir des
qualités très intéressantes en ce qui concerne la reconstitution de grandes quantités
d’échantillons et la maitrise de leur teneur en matières organiques. Par ailleurs, la
caractérisation physique a montré que le sédiment et l’ASCal sont des sols limoneux, au vu de
leur granulométrie et leur VBS comprise entre (0,2 et 2,5). Les essais de limites d’Atterberg ont
montré que le sédiment et l’ASCal sont des matériaux peu plastiques. Les résultats obtenus dans
cette partie de caractérisation a permis de classer les matériaux selon leur granulométrie, leur
212
activité argileuse (VBS) et leur caractère plastique (IP), Ainsi, le sédiment est classé en sous
classe A1F11 et l’ASCal en classe A1. En ce qui concerne le comportement mécanique des
matériaux de l’étude, le sédiment et l’ASCal présentent une capacité de portance relativement
correcte au vu des valeurs recommandées par le GTR ce qui permet de les classer
respectivement en sous classe A1F11 et A1. A partir des résultats d’essai œdométrique, il est
possible d’observer le caractère compressible du sédiment et d’ASCal.
L’évaluation de l’impact environnemental a été réalisé par l’essai de lixiviation en se référant à
la norme NF EN 12457-2. En analysant les résultats obtenus en fonction des conditions
d’admission, on constate que les valeurs du sédiment ne dépassent pas les seuils du niveau 1
définis par le guide d’acceptabilité des matériaux alternatifs en technique routières. Pour les
limites à respecter pour une utilisation en technique routière, les résultats sont inférieurs aux
seuils.
Concernant les essais de caractérisation des matières organiques, les résultats obtenus des
essais thermiques et chimiques varient du simple au triple et rendent le choix d’une méthode de
caractérisation des matières organiques plus difficile. Toutefois, les méthodes thermiques ont
l'avantage d'être plus rapides que la plupart des autres méthodes et sont facilement adaptées
pour analyser un grand nombre d'échantillons en même temps. Néanmoins, les méthodes
thermiques sont également largement influençables par deux paramètres essentiels : le temps et
la température de calcination. Les résultats (variables et différents) obtenus dans les méthodes
chimiques, montrent cette extrême difficulté d’identification des matières organiques. L’agent
oxydant semble avoir un rôle important et représente l’une des causes de cette variabilité des
résultats. D’autre part, la teneur en matières organiques du matériau analysé peut également
représenter un facteur de variabilité de ces méthodes, en effet, lorsque le matériau est riche en
matières organiques, l’agent oxydant, dans certaine méthode, n’est pas capable de détruire
toutes les matières organiques contenues dans le matériau, cela concerne à titre d’exemple la
méthode d’oxydation à l’eau oxygénée ou encore la méthode de Walkley Black. De plus, le
type des matières organiques, le degré d’évolution des matières organiques et la liaison entre la
phase organique et la phase minérale peuvent jouer un rôle très important lors du traitement par
méthodes chimiques.
Au vu des résultats obtenus des différents essais et le domaine d’application visé par cette étude,
l’essai thermique de calcination à 450 °C (selon la norme XP P94-047) semble être l’essai le
plus adapté aux attentes des chercheurs et des industriels.
213
En ce qui concerne les effets des matières organiques sur les propriétés physiques, les
résultats obtenus des principaux essais physiques présentés dans le chapitre IV permettent de
tirer un certain nombre de conclusions : les matières organiques augmentent simultanément la
limite de plasticité et la limite de liquidité des mélanges étudiés. Quant à l’indice de plasticité,
dans les mélanges étudiés, les matières organiques n’affectent pas leur valeur en raison de la
similitude d’impacts des matières organiques sur les limites de liquidité et de plasticité. Pour le
VBS, une augmentation modérée est engendrée par la présence des matières organiques dans
les mélanges étudiés. Cette augmentation des VBS reste sans aucun effet sur la classification
des mélanges étudiés.
A propos des effets des matières organiques sur le comportement mécanique des mélanges
étudiés, les résultats des essais de compactage, de portance, les essais œdométriques et les essais
de cisaillement présentés dans le chapitre IV permettent de tirer un certain nombre de
conclusions : l’augmentation de taux de matières organiques de 5 % à 15 % cause une perte en
portance d’environ 60 % pour un sédiment compacté à l’énergie Proctor normal et d’environ
80 % lorsqu’il est compacté à l’énergie Proctor modifié. Néanmoins, même à une teneur en
matières organiques équivalente à 12,5%, les matériaux étudiés présentent une portance
moyenne de 10 ce qui pourrait être acceptable pour certaines filières de valorisation. Pour les
essais œdométriques réalisés sur les mélanges du sédiments et d’ASCal, suivant une
méthodologie spécifique de préparation d’échantillons, l’augmentation du taux des matières
organiques de 5 % à 15 % engendre un accroissement de l’indice des vides des mélanges
étudiés. Cette augmentation de l’indice des vides est expliquée par le caractère spongieux des
particules organiques incorporées dans les mélanges. Quant à la pression de pré-consolidation,
une réduction spectaculaire de pressions est produite par la présence des matières organiques
dans les mélanges étudiés. En effet, la comparaison des résultats obtenus en termes de pression
de pré-consolidation permet de constater que les valeurs enregistrées sont plus faibles que la
contrainte appliquée dans la méthodologie spécifique de préparation d’échantillons. De ce fait,
on peut déduire que l'énergie transmise à l'échantillon est partiellement absorbée par la
déformation récupérable des matières organiques qui induira une diminution de l'efficacité du
processus de compactage. En ce qui concerne l’indice de compression et l’indice de
recompression, la présence des matières organiques dans les matériaux étudiés permet de
doubler leur aptitude à la compressibilité et au gonflement pour une teneur en matières
organiques allant de 0 % jusqu’à 15 %. Enfin, pour la résistance au cisaillement, l’étude menée
sur les mélanges du sédiment et d’ASCal a montré l'angle de frottement effectif augmente avec
214
l’augmentation du taux des matières organiques entre 0 % et 15 %. Cette augmentation de
l’angle de frottement effectif est expliquée par le fait que les particules organiques peuvent
produire un effet de renforcement sur la matrice du matériau, augmentant ainsi sa résistance au
cisaillement.
Dans le chapitre V, nous avons développé une approche opérationnelle de valorisation
des sédiments ayant une teneur en matières organiques plus importante que celle recommandée
par les guides routiers, ainsi que la qualification précise des solutions proposées de traitement
et d’utilisation. Ce travail a permis de tirer plusieurs conclusions notamment de l’impact des
matières organiques sur la classification des mélanges étudies car selon les différents systèmes
de classification explorés dans cette étude, les matériaux étudiés se classent dans des catégories
très similaires indépendamment du taux des matières organiques (dans la gamme des valeurs
explorées dans cette étude) et peuvent être utilisés en remblai sans traitement. Dans la filière de
valorisation remblai, la présence des matières organiques dans les sédiments engendre des
tassements très faibles. De plus, la présence des matières organiques dans les mélanges étudié
cause un impact très modéré sur les angles de frottement effectifs, les cohésions et par
conséquent la stabilité des talus qui n’est que très peu voire non affectée. Pour les autres filières
de valorisation dans le domaine routier telles que les couches de fondation ou de forme, des
études récentes ont montré que le caractère organique des sédiments utilisés dans des
formulations adaptées, n’affecté pas les propriétés d’usage. Des chantiers à l’échelle réelle ont
été menés avec succès.
A partir de ce travail, nous avons déterminé les impacts du taux des matières organiques
sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage, ainsi que
l’influence de la teneur en matières organiques sur le classification et l’acceptabilité des
matériaux étudiés dans les différentes filières de la construction routière. A ce stade, d’autres
débouchés s’ouvrent en donnant les perspectives ci-dessous :
Les conclusions tirées du bilan des essais thermiques et chimiques de caractérisation
des matières organiques nous ont permises de distinguer les disparités des résultats entre
les méthodes en terme du taux des matières organiques. Les méthodes thermiques sont
fortement influencées par la température et la durée de calcination, ainsi que les
méthodes chimiques par l’efficacité du l’agent oxydant. A ce stade de l’étude, il est
nécessaire d’explorer encore plus les disparités des résultats et analyser les taux des
matières organiques à des températures de calcination inférieures à 400 °C.
215
Pour aller plus loin dans la compréhension des effets engendrés par la présence des
matières organiques dans les sédiments, il est important d’analyser l’impact de chaque
composant des matières organiques (acides humiques, acides fulvique) sur les propriétés
physiques et le comportement mécanique des sédiments et établir un bilan spécifique
des essais de caractérisation de ces composants.
Pour optimiser les résultats obtenus dans cette étude, l’analyse de l’aspect de durabilité
et du vieillissement des matières organiques dans les différentes filières du domaine
routier est très importante. Cette étude permettra d’appréhender les variations d’impacts
sur les propriétés physiques et mécanique qui pourraient être engendrées par le
vieillissement des matières organiques dans le temps.
Finalement, établir un projet de route avec des sédiments de dragage ayant une teneur
en matières organiques supérieure à 3 % en assurant l’analyse des effets sur les
principaux propriétés physiques (limites d’atterberg, VBS, …), les effets sur le
comportement mécanique (tassement, stabilité, …), l’aspect de durabilité et le
vieillissement des matières organiques dans les sédiments.
216
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NF ISO 13320-1. Septembre 2000. Analyse granulométrique. Méthodes par diffraction laser.
Partie 1 : principes généraux.
NF ISO 14235. Septembre 1998. Qualité du sol. Dosage du carbone organique par oxydation
sulfochromique.
NF P94-050. Octobre 1991. Sol : reconnaissance et essais – Détermination de la teneur en eau
pondérale des sols – méthode par étuvage.
225
NF P94-051. Mars 1993. Sol : reconnaissance et essais – Détermination des limites
d’Atterberg– limite de liquidité à la coupelle – limite de plasticité au rouleau.
NF P94-054. Octobre 1991. Sols : reconnaissance et essais – Détermination de la masse
volumique des particules solides des sols.
NF P94-055. Décembre 1993. Sols : reconnaissance et essais - Détermination de la teneur
pondérale en matières organiques d'un sol - Méthode chimique.
NF P94-068. Novembre 1993. Sol : reconnaissance et essais – mesure de la quantité et de
l’activité de la fraction argileuse – détermination de la valeur au bleu de méthylène d’un sol par
l’essai à la tâche.
NF P94-071-1. Août 1994. Sols : reconnaissance et essais - Essai de cisaillement rectiligne à la
boîte - Partie 1 : cisaillement direct.
NF P94-078. Décembre 1992. Indice CBR après immersion, indice CBR immédiat, indice
portant immédiat, mesure sur échantillon compacté dans le moule CBR.
NF P94-093. Décembre 1993. Détermination des caractéristiques de compactage d’un sol :
essai Proctor normal, essai Proctor modifié.
XP CEN/TS 15937. Juin 2013. Boues, biodéchets traités et sols - Détermination de la
conductivité électrique spécifique.
XP P94-090-1. Décembre 1997. Sols : reconnaissance et essais - Essai œdométrique - Partie 1:
essai de compressibilité sur matériaux fins quasi saturés avec chargement par paliers.
XP P94-047. Décembre 1998. Sol : reconnaissance et essais –Détermination de la teneur
pondérale des matières organiques des sols - Méthode par calcination.
226
ANNEXES
Annexe 1 : Classification des sols et des mélanges sol-agrégat [94]
Classification
générale
Matériaux ( ≤ 35 % de passant au tamis de
75 µm)
Matériaux (> 35 % de
passant au tamis de
75 µm)
Catégorie A-1
A-3
A-2
A-4 A-5 A-6
A-7
Sous catégorie A-1-
a
A-1-
b
A-
2-4
A-
2-5
A-
2-6
A-
2-7
A-7-
5,
A-7-
6
Analyse
granulométrique:
passant (%)
2 mm (No.10) 50
max
425 µm ( No.40) 30
max
50
max
51
min
75 µm (No. 200) 15
max
25
max
10
max
35
max
35
max
35
max
35
max
36
min
36
min
36
min
36
min
Caractéristiques du
passant à 425 µm
Limite de liquidité 40
max
41
min
40
max
41
min
40
max
41
min
40
max
41
min
Indice de plasticité 6 max 10
max
10
max
11
min
11
min
10
max
10
max
11
min
11
min
Type de
constituant
important du
matériau
Fragments
de pierre,
gravier et
sable
Sable
fin
Gravier ou sable
limoneux ou argileux
sols
limoneux
Sols
argileux
Notation générale
en tant que
fondation
Excellent à bien Passable à pauvre
227
Annexe 2 : Tableau de classification des matériaux selon le système de classification USCS [96]
Critères d'attribution de symboles de groupe et de noms de groupes à l'aide de tests de
laboratoire
Classification des sols
Symbole
du groupe
Nom de
groupe
SOLS GROSSISÉS
Plus de 50 % retenus sur
le No.200 Sieve
Gravels
Plus de 50 % de la
fraction grossière
retenues sur le tamis
No.4 ( 4.76 mm)
Gravier
propre
Moins de 5 %
de fines
Cu ≥ 4 et 1 ≤ Cc ≤ 3 GW Gravier
bien calibré
Cu < 4 et/ou Cc < 1 or Cc
> 3 GP
Gravier mal
classé
Gravier avec
poussière
Plus de 12 %
de fines
Sols classés comme as
ML (limon peu
plastique) ou MH
( limon fortement
plastique)
GM gravier
limoneux
Sols classés comme
CL( Argile peu
plastique) ou CH ( argile
fortement organique)
GC Gravier
argileux
Sables
50 % ou plus de la
fraction grossière
passe à travers le
tamis No.4 (
4.76 mm)
Sables
propres
Moins de 5 %
de fines
Cu ≥ 6 and 1 ≤ Cc ≤ 3 SW Sable bien
calibré
Cu < 6 et /ou Cc < 1 or
Cc > 3 SP
Sable mal
calibré
Sables avec
fines
Plus de 12 %
de fines
Sols fins classé comme
ML (limon peu
plastique) ou MH
( limon fortement
plastique)
SM Sable
limoneux
Sols fins classés comme
CL ( argile peu
plastique) ou CH
( Argile fortement
plastique)
SC Sable
argileux
SOLS À GRAINS FINS
50 % ou plus de la
fraction grossière passe
à travers le tamis no.
200 (75 µm)
Limon et argile
Limite de liquidité <
50 %
Inorganique
IP > 7 et en dessus de la
ligne "A" CL
Peu
Argileux
IP < 4 et en dessous de la
ligne "A" ML Limon
Organique
Limite liquide-séchée à
l’étuve <0.75 OL
Argile
organique
Limite de liquide - non
séchée OL
Limon
organique
Limon et argile
Limite de liquidité ≥
50 %
Inorganique
IP en dessus de la ligne
"A" CH
Fortement
Argileux
IP en dessous de la ligne
"A" MH
Limon
élastique
Organique
Limite liquide-séchée à
l’étuve < 0.75 OH
Argile
organique
Limite de liquide - non
séchée OH
Limon
organique
SOLS TRÈS ORGANIQUES PT Tourbe
228
COMMUNICATIONS ET PUBLICATIONS
Communications dans des congrès nationaux et internationaux avec comités de sélection et actes
F. HAMOUCHE, R. ZENTAR, Caractérisation des Matières Organiques dans le sédiment de
dragage par méthodes thermiques, XIVème journées nationales génie côtier- génie civil,
Toulon, France, Du 29 juin au 1er juillet 2016, pp 7
F. HAMOUCHE, R. ZENTAR, Caractérisation des Matières Organiques dans le sédiment de
dragage : impacts sur les propriétés de l’eau et de l’environnement, 4 ème Colloque International
Terre & Eau 2016, Annaba, Algérie, 16, 17 & 18 Mai 2016, pp 4
F. HAMOUCHE, R. ZENTAR, Influence des matières organiques sur les propriétés physiques
des sédiments de dragage, 34èmes Rencontres Universitaires du Génie Civil, RUGC 2016,
Université de Liège, Belgique, 25 au 27 mai 2016, pp 7
F. HAMOUCHE, R. ZENTAR, Impacts of organic matter on physical properties of dredged
sediments: Comparison of organic matter characterization methods. , 5th International
Symposium on Sediment Management (I2SM 2016), Montréal, CANADA, 10 au 13 Juillet
2016, pp 6
F. HAMOUCHE, R. ZENTAR, Caractérisation des Matières Organiques dans les sédiments de
dragage par méthodes thermiques et chimiques, 35èmes Rencontres de l’AUGC, Nantes,
France, 21 au 24 mai 2017, pp 6
F. HAMOUCHE , R. ZENTAR, Effect of humic substances on few Physical Properties of
Dredged Marine Sediment in the context of beneficial use in civil engineering sector , XIV th
International Symposium on Environment, Catalysis and Process Engineering , Douai, France,
Du 5 au 7 décembre 2017, pp 2
R. ZENTAR, F. HAMOUCHE , Effect of organic matter on the Atterberg limits of dredged
marine sediment, XIV th International Symposium on Environment, Catalysis and Process
Engineering, Douai, France, 5 au 7 décembre 2017, pp 2
F. HAMOUCHE , R. ZENTAR, Effect of organic matter on the compressibility parameters of
dredged marine sediment in the context of beneficial use in civil engineering sector,
WasteEng2018 Conference, Prague, République tchèque, Prague - Czech Republic, July 2-5,
2018.
F. HAMOUCHE, R. ZENTAR, Effect of organic matter on the relationship between the
compression index and the atterberg limits (liquid limit and plastic limit) of dredged marine
sediment, 6th International Symposium on Sediment Management (I2SM 2018), Chiapas,
Mexico 2018, San Cristóbal de Las Casas, Mexique, Du 19 au 23 juin 2018.
R. ZENTAR, F. HAMOUCHE , Effect of organic matter on the compressibility parameters of
dredged marine sediment in the context of beneficial use in civil engineering sector, 6th
International Symposium on Sediment Management (I2SM 2018), Chiapas, Mexico 2018 , San
Cristóbal de Las Casas, Mexique, Du 19 au 23 juin 2018.
Publication d’articles dans revues avec comité de lecture
F. Hamouche et R. Zentar, « Effects of Organic Matter on Physical Properties of Dredged
Marine Sediments », Waste Biomass Valor, p. 1‑13, juin 2018.
F. Hamouche et R. Zentar, « Effects of Organic Matter on Mechanical Properties of Dredged
Sediments for Beneficial Use in Road Construction », Environmental Technology, 2018.
F. Hamouche et R. Zentar, The relationship between organic matter content and the immediate
bearing index of dredged sediments. Revista internacional de contaminacion ambiental, 2018,
vol. 34, p. 323-326.
229
230
RÉSUMÉ
En France, le secteur de la construction routière est le plus grand consommateur de
matériaux granulaires, avec une consommation annuelle d'environ 200 millions de tonnes. Avec
la pénurie de matériaux standards, la valorisation des sédiments dragués pour la construction
routière pourrait constituer une solution intéressante.
Les sédiments dragués se composent généralement d’une phase minérale, une phase
organique (sous diverses formes) et une phase liquide (eau). La présence des Matières
Organiques (MO) dans les sédiments, même en petites quantités, affecte leurs propriétés
physiques et mécaniques.
L'objectif principal de cette thèse est de proposer une méthode simple de caractérisation
des matériaux organiques adaptée au domaine routier et d'étudier les effets de la teneur en MO
sur les propriétés physiques et mécaniques des sédiments dragués. Pour y parvenir, une
méthodologie spécifique pour reconstituer des mélanges avec différentes quantités de MO est
proposée et une évaluation est faite des essais existants pour la caractérisation des MO.
L'investigation des effets de la teneur en MO sur les paramètres physiques et mécaniques
(considérés comme des paramètres clés dans le domaine de la construction routière) montre que
même pour des teneurs en MO supérieures aux limites imposées dans les guides d’utilisation
des matériaux standards, les sédiments restent compatibles avec la valorisation dans la
technique routière.
ABSTRACT
In France, the road construction sector is the greatest consumer of granular materials, with
a yearly consumption of about 200 million tons. With the shortage of standard materials, the
valorization of dredged sediments for road construction could constitute an interesting solution.
Dredged sediments generally consist of a mineral phase, an organic phase (in various forms)
and a liquid phase (water). The presence of Organic Matter (OM) in sediments, even in small
amounts, affects their engineering properties.
The main objective of this study is to propose a simple method of characterization of
organic materials adapted to the road construction and to study the effects of OM content on
the physical and mechanical properties of dredged sediments. To this end, a specific
methodology for reconstituting mixtures with different amounts of OM is proposed and an
evaluation is made of existing tests for OM characterization.
The investigation of the effects of OM content on physical and mechanical parameters
(considered as key parameters in the field of road construction) shows that even for OM
contents greater than the limits imposed in the guidelines for the use of standards materials, the
dredged sediments remain compatible with the valuation in the road construction technique.
