Avantages techniques du remplacement du sable naturel par du sable manufacturé dans la construction de décharges

Sep 24, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6444 (2023) Citer cet article

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Les ruptures par glissement translationnel dans les décharges sont souvent déclenchées par une résistance au cisaillement inadéquate des interfaces dans les revêtements et les couvertures. Les revêtements en argile géosynthétique (GCL) sont utilisés dans différents composants des décharges pour contenir le lixiviat. Les GCL sont généralement placés au-dessus d'un sous-sol de sable compacté pour développer une résistance au cisaillement plus élevée. Dans le contexte de l'épuisement des ressources naturelles en sable, la présente étude explore la faisabilité du remplacement du sable naturel par du sable manufacturé (Msand) dans la construction des décharges. Des essais de cisaillement d'interface ont été effectués sur GCL en contact avec du sable de rivière et du sable M de gradation similaire pour évaluer la résistance au cisaillement à différentes contraintes normales et conditions d'hydratation. Il a été constaté que Msand offre une résistance au cisaillement d'interface plus élevée avec GCL par rapport au sable de rivière. L'analyse d'images numériques d'échantillons testés de GCL a montré que la variation de la morphologie des particules des deux sables a une influence directe sur les mécanismes d'interaction au niveau micro régissant la résistance au cisaillement. La quantification des paramètres morphologiques a montré que les particules de Msand sont anguleuses et rugueuses par rapport aux particules de sable naturel, ce qui conduit à un enchevêtrement plus élevé des particules. L'hydratation du GCL a réduit la résistance au cisaillement de l'interface, l'effet étant moindre dans le cas de Msand. L'étude souligne que le remplacement du sable naturel par Msand présente des avantages supplémentaires.

Les revêtements d'argile géosynthétique (GCL) sont des géocomposites polymères qui sont utilisés pour contenir des éléments nocifs pour l'environnement tels que les lixiviats dans les décharges artificielles pour les empêcher de pénétrer dans le sol et éventuellement de contaminer les eaux souterraines. Les GCL comprennent de l'argile bentonite en combinaison avec des matériaux polymères tels que des géomembranes et des géotextiles. La bentonite est soit collée à la géomembrane, soit encapsulée entre deux géotextiles, qui sont aiguilletés ou cousus. Les GCL sont le remplacement idéal des revêtements en argile compactée conventionnels (CCL) en raison de leurs propriétés hydrauliques efficaces, de leur capacité d'auto-guérison, de leur rentabilité et de la facilité d'installation1,2,3. Les GCL présentent plusieurs avantages par rapport aux CCL en termes d'assurance qualité, d'épaisseur réduite des couches, de durabilité au gel et au dégel, d'accessibilité facile et d'amélioration de la vitesse de construction4,5. Les GCL avec des géotextiles tissés ou non tissés sont couramment utilisés pour former des interfaces avec d'autres géosynthétiques et matériaux de fondation. Le placement des GCL dans les revêtements et les systèmes de couverture est illustré à la Fig. 1, dans laquelle les GCL sont en contact avec des couches de sable à divers endroits. L'inhomogénéité du revêtement et des couvertures des décharges entraîne des ruptures sous des contraintes normales et des contraintes de cisaillement imposées par le déversement de déchets et d'autres conditions spéciales telles que les tremblements de terre. La principale cause de rupture dans les revêtements avec GCL est la rupture par glissement en translation due à une résistance au cisaillement insuffisante aux interfaces GCL-sable, les chances étant plus importantes en cas de terrains en pente. Une évaluation précise de la résistance au cisaillement de l'interface des GCL est nécessaire pour contrôler le glissement et les autres instabilités mécaniques des décharges.

Schéma de principe d'un site d'enfouissement technique.

La littérature sur différents tests d'interface effectués à l'aide d'une boîte de cisaillement direct conventionnelle révèle que le développement du frottement et de l'adhérence entre les couches en interaction est régi par plusieurs interactions au niveau micro6,7,8,9. L'avancement de la technologie a facilité l'étude du mécanisme d'interaction qui affecte le comportement de cisaillement des interfaces au niveau micro. Les chercheurs ont exploré l'effet de la taille et de la forme des particules de sable sur le comportement de l'interface avec différents types de renforts. La taille des grains de sable combinée aux caractéristiques de rugosité de l'armature contrôle la résistance au cisaillement de l'interface10,11,12,13. Au cours de leur fonctionnement en décharge, les GCL s'hydratent en raison de leur exposition au lixiviat ou aux précipitations infiltrantes, provoquant le gonflement de la couche de bentonite encapsulée. Le gonflement de la bentonite peut réduire considérablement la résistance au cisaillement de l'interface. L'extrusion et le gonflement latéral de la bentonite dépendent de la texture de surface du GCL14,15,16.

L'extraction de sable naturel pour de nombreuses activités de construction a un impact significatif sur les écosystèmes fluviaux et marins, les fluctuations de la nappe phréatique et la réduction de l'apport de sédiments. Bien que le sable naturel soit considéré comme un matériau de fondation approprié à utiliser conjointement avec les GCL pour obtenir une bonne résistance au cisaillement de l'interface, sa non-disponibilité incite les chercheurs à rechercher d'autres matériaux de fondation. Le substitut approprié doit réduire l'impact négatif sur l'environnement et donner une solution plus durable et économique. Le sable manufacturé, populairement connu sous le nom de Msand, est du sable artificiel obtenu par concassage de pierres pour produire des particules de la taille d'un sable. Plusieurs études ont étudié les propriétés de résistance et l'efficacité de l'utilisation de Msand dans la fabrication de béton au lieu de sable de rivière. La littérature suggère que Msand offre une meilleure connexion de la matrice cimentaire que le sable de rivière, en raison des caractéristiques de surface favorables des particules de Msand17,18,19. Des recherches limitées ont exploré l'utilisation de Msand pour des applications autres que la fabrication de béton.

La présente étude contribue à la faisabilité de l'utilisation de Msand comme substitut approprié du sable de rivière pour fournir une interface GCL-Msand supérieure à utiliser dans les revêtements de décharge. Ceci est mis en évidence à travers les tests de cisaillement d'interface comparatifs sur les interfaces GCL-River sand et GCL-Msand ainsi que le calcul des paramètres de résistance au cisaillement. En outre, l'effet de l'hydratation du GCL sur les paramètres de résistance au cisaillement est compris pour un état complètement saturé du matériau de fondation. Les résultats sont corroborés par des études basées sur des images de la forme des particules et des changements au niveau microscopique des surfaces GCL testées. Les paramètres morphologiques du sable, y compris la forme et la taille des grains, influencent grandement les interactions au niveau micro et à leur tour la résistance au cisaillement des interfaces. Des études menées par des chercheurs antérieurs sur des surfaces polymères en interface avec des grains de sable angulaires et des billes de verre sphériques ont souligné la différence de résistance au cisaillement de l'interface avec le changement de forme des particules20,21. L'étude actuelle explore ces aspects en détail et propose d'utiliser Msand dans la construction de revêtements et de systèmes de couverture de décharge en raison de sa meilleure résistance au cisaillement de l'interface avec les GCL, des effets d'hydratation réduits et des avantages de durabilité à long terme.

Le GCL utilisé dans cette étude est Macline GCL-W, qui a une couche de bentonite de sodium sèche encapsulée entre un géotextile non tissé lié thermiquement et un géotextile tissé en filaments. L'argile bentonite avec 70 % de montmorillonite a une capacité d'absorption d'eau de 650 % et une capacité de gonflement libre de 12 ml/g. La littérature suggère que le côté non tissé du GCL a une meilleure résistance au cisaillement de l'interface en raison de ses fibres orientées de manière aléatoire22,23,24 et, par conséquent, la même chose est adoptée pour les tests de cisaillement dans cette étude. La figure 2 montre l'image du côté non tissé du GCL vierge prise à un grossissement de 32 × à l'aide d'un stéréomicroscope (SZX10), indiquant une structure multicouche en forme de bande du géotextile.

Image microscopique de la surface non tissée de GCL vierge à un grossissement de 32 ×.

L'analyse par tamisage a été effectuée sur du sable de rivière naturel et du sable manufacturé, conformément à la norme ASTM C136 (2014). Sur la base de la distribution granulométrique illustrée à la Fig. 3, le sable de rivière et Msand, dans leur gradation naturelle, sont classés respectivement comme sable mal calibré (SP) et sable bien calibré (SW), selon United Soil Classification System (USCS ). Pour éliminer les effets de la taille des grains et se concentrer sur les effets de la forme des grains, une gradation expérimentale commune pour le sable de rivière et le sable manufacturé (Msand) est utilisée dans la présente étude. comme le montre la Fig. 3. La gradation choisie des sables a été obtenue en proportionnant et en procurant la quantité requise à partir de fractions de taille spécifiques des deux sables afin que les deux sables atteignent la gradation qui est classée comme sable mal calibré (SP). La gradation choisie des sables a des tailles de grains identiques en fractions pondérales et la forme des grains reste conforme à leur état naturel. La figure 4 montre les images de sable de rivière et de sable manufacturé de 0,6 mm. Le tableau 1 répertorie les paramètres de gradation et les propriétés physiques des sables dans leur gradation expérimentale. Le taux de vide maximal a été obtenu à partir d'un test de table vibrante selon la norme ASTM D4254 (2016), le taux de vide minimal a été obtenu selon la norme ASTM D4253 (2019). Sur la base d'essais de cisaillement directs effectués conformément à la norme ASTM 3080-04 (2012), les angles de frottement interne ont été obtenus à 44º et 41º, respectivement, pour la gradation choisie de sable manufacturé et de sable de rivière, à une densité relative de 80 %.

Distribution granulométrique des sables et gradation expérimentale.

Images microscopiques de particules de sable typiques à un grossissement de 25 × (a) sable de rivière et (b) sable manufacturé.

Tous les tests de cisaillement d'interface ont été effectués en utilisant la configuration de test de cisaillement direct modifiée par Vangla et Latha25,26. Cette configuration remplace la boîte de cisaillement inférieure de la configuration d'essai de cisaillement direct conventionnelle par une plaque d'acier carrée rigide mobile de 180 mm de côté pour fixer les matériaux géosynthétiques. Dans l'étude actuelle, des spécimens de GCL mesurant 180 mm × 180 mm ont été découpés dans le rouleau et fixés à la base en acier à l'aide de plaques de préhension et de vis. Le GCL a été fixé à la plaque d'acier de manière à ce que sa surface de géotextile non tissé soit vers le haut. La boîte de cisaillement supérieure de 100 mm × 100 mm a été placée au-dessus du GCL fixe et remplie de sable à une densité relative de 80 %. Les taux de vide maximum et minimum du sable rapportés dans le tableau 1 ont été utilisés pour le calcul du poids de sable requis pour atteindre la densité relative spécifique. Le sable a été rempli en trois couches distinctes, chaque couche individuelle étant compactée à la main pour atteindre un tiers de la hauteur totale de 50 mm de l'échantillon. Après l'application d'une charge normale via le mécanisme à bras de levier, la base en acier a été déplacée horizontalement sur des rouleaux, provoquant un cisaillement le long de l'interface du GCL et du sable. Le système d'acquisition de données numériques enregistre la force de cisaillement appliquée à travers une cellule de charge horizontale et le mouvement horizontal correspondant de la base à l'aide d'un LVDT (transformateur différentiel variable linéaire), respectivement. La figure 5 montre les détails de la configuration de test d'interface utilisée dans l'étude.

Configuration de cisaillement direct d'interface.

Des essais de cisaillement à l'interface contrôlée par déformation ont été effectués à des contraintes normales de 100 kPa, 60 kPa et 30 kPa et 7 kPa à un taux de cisaillement de 1,15 mm/min conformément à la norme ASTM D6243 (2016). Ces contraintes normales simulent la contrainte de mort-terrain dans les revêtements et le recouvrement des décharges de hauteur modérée. Des tests d'interface ont été réalisés sur les interfaces GCL-River sand et GCL-Msand. Des tests ont été réalisés sur des GCL en interface avec du sable sec et saturé. La saturation du sable dans les expériences représente le pire scénario de terrain dans lequel les niveaux fluctuants des eaux souterraines et l'infiltration des précipitations provoquent la saturation du sous-sol de sable. La teneur minimale en eau de saturation du sable a été calculée à 18 % à partir des relations entre la gravité spécifique et le taux de vide et la même chose a été utilisée dans les tests avec du sable saturé.

Les tests de cisaillement d'interface ont été conçus pour comprendre les effets des niveaux de contrainte de mort-terrain représentés par des variations de contrainte normales, des effets de forme de grain à travers le sable naturel et Msand ayant une différence significative dans la forme des particules et les effets d'hydratation par des tests secs et humides. La réponse au cisaillement des interfaces GCL-River sand et GCL-Msand à l'état sec à différentes contraintes normales est présentée à la Fig. 6. La variation de la contrainte de cisaillement avec le déplacement est illustrée à la Fig. 6a et les enveloppes de rupture Mohr – Coulomb sont illustrées à la Fig. 6b. La plupart de ces tests initiaux ont été répétés pour confirmer la reproductibilité des résultats. Pour les interfaces GCL-River sand et GCL-Msand, la contrainte de cisaillement maximale a augmenté avec l'augmentation de la contrainte normale, ce qui indique un mécanisme de verrouillage accru entre la fibre de géotextile et les particules de sable sous l'effet de confinement accru du mort-terrain. De plus, les graphiques montrent qu'une contrainte de cisaillement maximale plus élevée est atteinte pour GCL-Msand par rapport aux interfaces GCL-River sand. Étant donné que les conditions d'essai et la gradation sont maintenues identiques, la différence de comportement au cisaillement ne peut être liée qu'à la forme des particules de sable. La fibre de renfort interne de GCL résiste à la force de cisaillement appliquée, contribuant à la résistance globale au cisaillement. Ils transmettent la force de cisaillement de la couche supérieure à la couche inférieure de GCL. La réduction post-pic de la contrainte de cisaillement peut être liée à l'extension de la fibre de renfort à des contraintes de cisaillement importantes, ce qui entraîne une perte de résistance à la traction, entraînant une réduction de la résistance au cisaillement de l'interface11,12,13. Les valeurs de l'angle de frottement d'interface (δ) et de l'adhérence d'interface (ap) pour les interfaces sèches GCL-sable calculées à partir des lignes de meilleur ajustement des enveloppes de rupture en tenant compte des contraintes de cisaillement d'interface maximales à différentes contraintes normales illustrées à la Fig. 6b sont répertoriées dans le tableau. 2. Toutes les interfaces GCL-sable ont montré des angles de frottement moindres par rapport aux essais de cisaillement sable-sable. L'efficacité de frottement des interfaces GCL-sable, qui est définie comme δ/ϕ, est toujours inférieure à 1,0, comme indiqué dans le tableau 2.

Réponse au cisaillement des interfaces GCL-sable dans des conditions sèches (a) réponse contrainte-déplacement, (b) enveloppes de rupture.

La bentonite améliore les performances hydrauliques du GCL, lui donnant la capacité de s'auto-réparer. Lors de l'hydratation, la bentonite augmente son volume de 600%, ce qui crée un impact significatif sur la résistance au cisaillement du GCL. La figure 7 montre le mécanisme de gonflement cristallin de la bentonite comme expliqué par Ruedrich et al.27. Sur le terrain, l'aspiration de l'humidité du sous-sol d'interface peut entraîner une hydratation de la bentonite dans le GCL. Le niveau fluctuant des eaux souterraines et l'infiltration des eaux de pluie peuvent entraîner une augmentation brutale de la teneur en eau du sol de fondation, ce qui a un impact négatif sur la résistance au cisaillement des interfaces GCL-sable. Le scénario le plus défavorable pour cette réduction de la résistance au cisaillement de l'interface serait l'état complètement saturé du sol de fondation en sable. Dans cette étude, des tests d'interface dans des conditions saturées ont été effectués pour examiner l'impact de l'hydratation de la bentonite sur les paramètres de résistance au cisaillement de l'interface calculés. La teneur en eau du sable a été maintenue à 18 % dans ces essais pour atteindre une saturation complète et les échantillons de GCL ont été hydratés par aspiration de l'humidité du sable. Les contraintes normales utilisées pour cet ensemble d'essais étaient de 7 kPa, 30 kPa et 100 kPa. La faible contrainte normale de 7 kPa a été utilisée pour permettre un gonflement élevé de la bentonite et une contrainte normale élevée de 100 kPa a été utilisée pour faciliter l'extrusion de la bentonite sur la surface du GCL. Ces deux phénomènes influencent le comportement de cisaillement d'interface des interfaces GCL-sable. La réponse contrainte-déplacement de GCL-River sand et GCL-Msand dans des conditions de fondation saturées est illustrée à la Fig. de la figure 8a. Lorsque la Fig. 6a pour les essais à sec et la Fig. 8a pour les essais saturés sont comparées, une réduction significative de la contrainte de cisaillement à toutes les contraintes normales a été observée dans des conditions saturées. L'hydratation du GCL a entraîné le gonflement de la bentonite, exerçant des forces de traction sur les fibres de renforcement, et impactant ainsi la résistance au cisaillement de l'interface. À une contrainte normale plus élevée, le gonflement de la bentonite est opposé par la contrainte de mort-terrain, conduisant à l'extrusion de la bentonite sur l'interface à travers les vides de la surface du géotextile non tissé. La figure 8c montre le gonflement des échantillons de GCL avec le temps d'hydratation pour des contraintes normales de 7 kPa et 100 kPa. Comme indiqué précédemment, un gonflement plus élevé est observé dans les interfaces testées sous 7 kPa, ce qui signifie une expansion volumétrique plus élevée de GCL lors de l'hydratation par rapport aux interfaces testées à une contrainte normale de 100 kPa. À un stress normal plus élevé, le gonflement est limité et s'avère inférieur de 5 à 7%. On observe que le changement volumétrique est plus important pour les GCL interfacés avec le sable de rivière. La bentonite est extrudée à travers les vides de la surface non tissée du GCL et forme une couche visqueuse à l'interface. La bentonite extrudée avec la couche lubrifiante d'eau à l'interface réduit la résistance au frottement. Le calcul de la résistance au cisaillement de l'interface pour des conditions saturées à travers les enveloppes de rupture de Mohr-Coulomb est illustré à la Fig. 8b et les valeurs de l'angle de frottement de l'interface (δ) et de l'adhérence de l'interface (ap) sont répertoriées dans le tableau 2. Comme observé, les angles d'adhérence et de frottement des interfaces saturées sont significativement plus faibles que celles des interfaces sèches. L'angle de frottement de l'interface a été réduit d'environ 10° de l'état sec à l'état saturé, à la fois pour les interfaces sable de rivière et Msand et l'adhérence de l'interface a été réduite de 7 à 10 kPa de l'état sec à l'état saturé, pour les raisons expliquées ci-dessus. La raison de la réduction de la résistance au frottement avec la saturation est la couche visqueuse de bentonite extrudée dans des conditions saturées et l'interaction des particules de sable avec cette couche, qui limite l'emboîtement efficace des fibres de sable. La couche lubrifiante d'eau réduit également la résistance au frottement aux interfaces GCL-sable dans des conditions saturées. Même si une gradation identique a été maintenue pour le sable de rivière et Msand dans cette étude, les interfaces Msand ont montré un angle de frottement et une adhérence significativement plus élevés par rapport aux interfaces de sable de rivière dans toutes les conditions en raison des effets de morphologie des particules, qui sont expliqués dans les sections suivantes.

Mécanisme de gonflement cristallin des minéraux argileux par hydratation.

Réponse au cisaillement des interfaces GCL-sable dans des conditions saturées (a) réponse contrainte-déplacement, (b) enveloppes de rupture, (c) réponse temporelle gonflement-hydratation.

L'influence de la forme des grains de sable sur la réponse au cisaillement des interfaces GCL-sable ressort clairement de l'analyse des résultats des essais. La disponibilité de techniques d'imagerie haut de gamme et d'outils informatiques robustes a rendu possible une quantification précise de la forme des particules. En utilisant des techniques d'imagerie, les mécanismes d'interaction sol-géosynthétique peuvent être analysés avec précision et ceux-ci peuvent être corrélés à la réponse mécanique mesurée pour obtenir des informations plus approfondies. Dans cette étude, des techniques d'imagerie numérique ont été utilisées pour différencier et quantifier les paramètres de forme des grains de sable et pour comprendre les changements au niveau microscopique des surfaces GCL testées afin d'expliquer les mécanismes d'interaction à l'interface.

La forme du grain comprend trois composantes multi-échelles : la forme (macro-échelle), la rondeur (méso-échelle) et la texture de surface (micro-échelle)28. La forme, un composant à l'échelle macro, décrit les écarts dans les proportions de particules. La composante méso-échelle, la rondeur, décrit les ondulations ou les coins le long du contour des particules. La texture de surface, composant à micro-échelle, définit les caractéristiques de rugosité infime à la surface des particules. Plusieurs paramètres de forme ont été définis dans la littérature pour caractériser la forme des particules à l'aide d'images de particules et de techniques de calcul. Les paramètres de forme les plus largement acceptés sont la sphéricité, la rondeur et la rugosité données par Wadell29,30, qui ont été largement utilisées par de nombreux chercheurs ultérieurs13,25. La sphéricité représentant la proximité de la forme du grain avec une sphère, la rondeur représentant le lissé du joint de grain et la rugosité représentant les irrégularités à micro-échelle sur le joint de grain, sont utilisées collectivement pour représenter la forme globale du grain. Dans cette étude, un algorithme est écrit en MATLAB pour quantifier les paramètres de forme de Wadell des grains de sable. À cette fin, des images microscopiques de particules de sable ont été converties en images binaires par segmentation d'image dans MATLAB et des quantifications de paramètres de forme ont été effectuées sur les images binaires. La figure 9 montre les images microscopiques et binaires de grains typiques de sable de rivière et de Msand, tous deux de taille 0,6 mm. Les figures 9b,d montrent le contour du grain avec le centre de gravité, respectivement pour les grains de sable de rivière et de Msand. Ces contours de grain sont tracés dans le domaine spatial du rayon du grain en pixels et de l'angle en radians, pour obtenir le profil brut des particules de sable individuelles, comme illustré à la Fig. 10. Le profil brut se compose des trois caractéristiques multi-échelles du grain, qui sont la forme, la rondeur et la rugosité, qui sont identifiées et marquées pour les particules de sable de la Fig. 10. Alors que la composante à macro-échelle englobe le profil brut complet, la composante à méso-échelle correspond aux principaux pics et creux de la le profil brut et la composante à micro-échelle correspondent aux groupes d'espaces rapprochés d'écarts minuscules dans le profil. Le profil brut de la particule Msand montre plus de composants de forme à l'échelle méso et à l'échelle microscopique, indiquant l'angularité et la texture rugueuse de la particule Msand par rapport à la particule de sable de rivière. D'autres quantifications de forme ont été effectuées sur les images binaires de 200 particules individuelles dans différentes fractions de taille pour les deux sables à l'aide de l'algorithme MATLAB29 et les valeurs moyennes des paramètres de forme ont été calculées. La sphéricité, la rondeur et la rugosité moyennes ont été obtenues comme 0,78, 0,38 et 0,0024, respectivement pour Msand et 0,84, 0,42 et 0,001, respectivement pour le sable de rivière31,32,33. Les processus naturels d'altération et d'érosion responsables de la formation des particules de sable de rivière leur ont donné une sphéricité et une rondeur plus élevées par rapport aux particules de Msand extraites de la pierre. La valeur de rugosité moyenne des particules de Msand est le double de la rugosité moyenne du sable de rivière en raison du processus mécanique impliqué dans le concassage des roches pour fabriquer le Msand.

Images microscopiques et binaires de particules de sable typiques (a) Image microscopique d'une particule de sable de rivière (b) Image binaire d'une particule de sable de rivière (c) Image microscopique d'une particule Msand (b) Image binaire d'une particule Msand.

Profils bruts de particules typiques de sable de rivière et de Msand avec des composants de forme multi-échelle marqués.

Les particules Msand allongées et plus rugueuses génèrent une friction plus élevée lors de l'interaction avec d'autres surfaces telles que GCL par rapport aux particules de sable de rivière, ce qui est confirmé par les résultats des tests de cisaillement d'interface. Pendant que les sables sont cisaillés sur GCL, outre l'adhérence et le frottement entre les particules de sable et GCL, il existe un autre mécanisme important qui contribue de manière significative à la résistance au cisaillement des interfaces GCL-sable, à savoir l'enchevêtrement sable-fibre. Grâce à la Fig. 11, l'enchevêtrement des particules de sable dans les fibres de GCL peut être clairement visualisé pour les interfaces GCL-River sand et GCL-Msand. En utilisant la segmentation d'image binaire et la fonction de propriétés de région dans MATLAB, les fibres et les particules ont été différenciées et le pourcentage de surface de piégeage des particules de sable sur les surfaces GCL a été calculé. Dans des conditions sèches, la zone de piégeage des particules de sable pour les interfaces GCL-River sand et GCL-Msand était de 3,44 % et 2,29 %, respectivement à une contrainte normale de 100 kPa. Sans autres influences, l'augmentation du piégeage des particules doit entraîner une augmentation de la résistance au cisaillement de l'interface. Cependant, les interfaces GCL-Msand ont montré une résistance au cisaillement plus élevée par rapport aux interfaces GCL-sable de rivière malgré le piégeage relativement moindre. La raison de cette résistance au cisaillement plus élevée est la forme des particules de Msand, qui a compensé tous les autres effets.

Images de surfaces testées de GCL montrant l'enchevêtrement particules-fibres (a) GCL-River sand (b) GCL-Msand.

Dans les essais saturés, le gonflement et l'extrusion de la bentonite ont grandement influencé la résistance au cisaillement de l'interface ainsi que le piégeage des particules. La figure 12a montre la surface testée de GCL après un test saturé dans lequel de la bentonite extrudée ainsi qu'un film lubrifiant d'eau peuvent être clairement observés. La bentonite extrudée forme une couche collante visqueuse à l'interface, ce qui réduit la friction à l'interface. La couche visqueuse de bentonite collée aux fibres est visible sur la figure 12b, qui est la photographie du GCL séché après un test saturé. Cette couche provoque un piégeage plus élevé des particules de sable en raison de son caractère collant. La surface des particules de sable piégées après les essais saturés était plus élevée et calculée comme étant de 35,55 % dans le sable GCL-River et de 20,80 % dans les interfaces GCL-Msand, à une contrainte normale de 100 kPa. Ces résultats prouvent que les effets d'hydratation de la bentonite sont plus présents dans le sable de rivière. La résistance au cisaillement des interfaces GCL-Msand est supérieure à celle des particules de sable de rivière, même dans des conditions hydratées, en raison des effets de forme des particules.

Images de la surface GCL testée après des tests de cisaillement saturés prises à un grossissement de 20 × (a) extrusion de bentonite sous hydratation, (b) bentonite extrudée après séchage du GCL.

Les tests de cisaillement d'interface et les analyses d'images effectuées dans cette étude mettent en évidence les avantages du remplacement du sable de rivière dans les revêtements et les systèmes de recouvrement des décharges par Msand et fournissent des explications scientifiques à ce sujet. Les avantages pratiques de cette étude résident dans la réduction de l'utilisation de sable naturel dans la construction des décharges, ce qui présente des avantages environnementaux à long terme. Le coût du sable fabriqué est bien inférieur à celui du sable de rivière et, par conséquent, le remplacement présente des avantages économiques élevés. La faisabilité de la production d'une gradation spécifique de Msand pour tirer le maximum d'avantages en termes de résistance au cisaillement de l'interface est un avantage supplémentaire. Les résultats de la présente étude peuvent être utilisés pour dériver des relations empiriques entre les paramètres de forme du sable et la résistance au cisaillement de l'interface avec les GCL en utilisant une analyse de régression multivariée. Cependant, ces relations seront plus significatives si les données incluent des tests avec différents GCL et différentes teneurs en eau dans le sable, qui peuvent être étudiées à l'avenir.

La résistance au cisaillement des interfaces GCL-sable et sa dépendance à la forme des grains sont étudiées dans cette étude à travers des tests de cisaillement sur l'interface GCL avec le sable de rivière et le sable manufacturé (Msand) dans des conditions sèches et saturées. Les mécanismes de cisaillement et d'emboîtement au niveau micro et les effets de la forme des grains sur ces mécanismes sont étudiés par analyse d'images. Les principales conclusions de l'étude sont énumérées ci-dessous.

Une résistance au cisaillement plus élevée a été observée pour les interfaces GCL-Msand par rapport aux interfaces GCL-sable de rivière en raison de la forme allongée et de la texture de surface rugueuse des particules de Msand. L'angle de frottement et l'adhérence de l'interface sont relativement plus élevés pour les interfaces GCL-Msand.

Outre le frottement et l'adhérence, l'enchevêtrement sable-fibre à l'interface contribue de manière significative à la résistance au cisaillement des interfaces GCL-sable. Un emboîtement efficace a été observé dans le cas de Msand par rapport au sable de rivière en raison de la forme des grains, conduisant à un contact de friction plus élevé avec les fibres.

Dans les tests saturés, la bentonite a gonflé lors de l'hydratation et a été extrudée sur l'interface, comme le montre l'analyse d'image des surfaces GCL après les tests. L'extrusion de bentonite a entraîné une perte significative de résistance au cisaillement à l'interface, la perte étant moindre dans le cas de Msand puisque les effets de la forme des particules ont compensé la perte de résistance.

Cette étude prouve que Msand peut être un remplacement économique, durable et efficace du sable de rivière comme matériau de fondation dans la construction de décharges artificielles.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Le microscope numérique utilisé pour l'analyse d'image a été acheté grâce à la bourse SERB POWER (SPF/2021/000041) du deuxième auteur. Les auteurs remercient M/s Maccaferri Environmental Solutions Pvt. Ltd. pour avoir fourni les GCL gratuitement.

Département de génie civil, Indian Institute of Science, Bangalore, Inde

Anjali G. Pillai & Madhavi Latha Gali

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AGP et MLG ont rédigé le manuscrit et les deux auteurs ont révisé le manuscrit.

Correspondance à Anjali G. Pillai.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Pillai, AG, Gali, ML Engineering bénéficie du remplacement du sable naturel par du sable manufacturé dans la construction de décharges. Sci Rep 13, 6444 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32835-7

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Reçu : 27 décembre 2022

Accepté : 03 avril 2023

Publié: 20 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32835-7

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