La détermination correcte de la plasticité des sols fins est cruciale pour prévoir le comportement mécanique des fondations, remblais et couches de chaussées. Des erreurs systématiques dans la préparation de l'échantillon ou la manipulation de l'appareil de Casagrande altèrent la classification HRB/USCS et compromettent la libération des fronts de travail. Cet article analyse les procédures normalisées, les sources fréquentes de déviation expérimentale et le protocole d'assurance qualité en laboratoire.
1. Qu'est-ce que l'essai et quel problème résout-il ?
Les Limites d'Atterberg définissent les frontières d'humidité qui délimitent les états de consistance d'un sol à grain fin : liquide, plastique, semi-solide et solide. La transition entre ces états dépend de la teneur en eau présente dans la fraction passant au tamis de 0,425 mm (N° 40).
Dans la pratique géotechnique, les sols à plasticité élevée présentent une grande variation volumétrique (retrait et gonflement) en présence d'eau, ainsi qu'une capacité portante moindre lorsqu'ils sont saturés. La détermination de la Limite de Liquidité (LL) et de la Limite de Plasticité (LP) résout le problème de caractérisation et de sélection des matériaux pour les terrassements, permettant de rejeter les sols expansifs ou inadaptés avant leur application sur le chantier.
2. À quoi sert-il et quand doit-il être utilisé ?
La détermination de la LL et de la LP est obligatoire dans les phases et applications suivantes :
• Classification géotechnique des sols selon les systèmes AASHTO/HRB et USCS (ASTM D2487).
• Évaluation de l'aptitude des sols pour la construction de remblais, de zones de couronnement et de couches de forme routières.
• Vérification de l'Indice de Plasticité (IP = LL - LP) et de l'Indice de Consistance (IC) pour l'étude de la stabilité des talus et des fondations.
• Contrôle qualité à la réception des emprunts et des gisements de sols fins.
• Surveillance des altérations minéralogiques ou de la contamination le long d'un tracé routier.
3. Normes de référence
L'exécution de l'essai doit respecter rigoureusement les spécifications techniques en vigueur dans le projet. Les principales normes de référence sont :
• NP 143 : Sols - Détermination des limites de consistance (Limite de liquidité et limite de plasticité).
• ASTM D4318 : Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils.
• EN ISO 17892-12 : Reconnaissance et essais géotechniques - Essais de laboratoire sur les sols - Partie 12 : Détermination des limites de liquidité et de plasticité.
• LNEC E 198 : Sols - Détermination de la limite de liquidité par l'appareil de Casagrande.
• DNIT 122/2010 - ME : Sols - Détermination de la limite de plasticité.
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4. Préparation de l'échantillon
Une préparation adéquate de l'échantillon est cruciale pour garantir la reproductibilité des essais. La procédure standard implique :
- Séchage préalable de l'échantillon à l'air ou en étuve à température contrôlée (ne dépassant pas 60 °C pour éviter l'altération de la structure minéralogique des argiles organiquement actives).
- Désagrégation soigneuse des mottes avec un mortier ou un pilon en caoutchouc, sans fracturer les grains minéraux individuels.
- Tamisage de la fraction représentative à travers le tamis ASTM N° 40 (0,425 mm), en recueillant intégralement le passant.
- Humidification initiale du sol avec de l'eau distillée ou déminéralisée et homogénéisation à la spatule jusqu'à l'obtention d'une pâte uniforme.
- Cure de la pâte de sol dans un récipient hermétique pendant une période minimale de 12 à 24 heures (des cures prolongées sont exigées pour les argiles montmorillonitiques ou à plasticité élevée), permettant l'hydratation complète des particules minérales.
5. Équipements et matériaux
L'équipement doit être dûment calibré et en bon état de conservation :
• Appareil de Casagrande actionné manuellement ou par moteur électrique (fréquence de 2 chocs par seconde).
• Cuvette en bronze de masse normalisée (120 g à 130 g) et base en caoutchouc dur avec résilience calibrée.
• Rainurette standard de type ASTM (courbe) ou de type Casagrande (droite), en métal trempé ou en plastique calibré.
• Plaque de verre dépoli ou de marbre pour le façonnage des rouleaux de plasticité.
• Spatule flexible en acier inoxydable avec une lame d'environ 75 mm à 100 mm.
• Boîtes à tarer ou récipients métalliques hermétiques avec couvercle pour la détermination de l'humidité.
• Étuve de séchage à circulation d'air forcée, maintenue à 110 °C ± 5 °C.
• Balance analytique ou semi-analytique avec une précision de 0,01 g.
• Pissette avec de l'eau distillée.
6. Procédure étape par étape
La détermination expérimentale doit suivre la séquence technique décrite :
Détermination de la Limite de Liquidité (LL) :
- Placer une portion du sol préparé dans la cuvette de l'appareil de Casagrande, en nivelant la surface avec la spatule parallèlement à la base jusqu'à une épaisseur maximale de 10 mm au point de plus grande profondeur.
- Ouvrir une rainure au centre de l'échantillon le long de l'axe de symétrie de la cuvette, en utilisant la rainurette calibrée maintenue strictement perpendiculaire à la surface interne de la cuvette.
- Tourner la manivelle de l'appareil à une cadence constante de 2 chocs par seconde jusqu'à ce que les deux demi-lunes de sol se rejoignent sur une longueur continue de 13 mm (environ 1/2 pouce) au fond de la rainure.
- Enregistrer le nombre de chocs (N) nécessaire à la fermeture de la rainure. L'essai n'est valide que si la fermeture se produit entre 15 et 35 chocs.
- Prélever une aliquote de sol de la zone où l'union s'est produite, la placer dans une boîte à tarer identifiée et déterminer l'humidité (w) par séchage en étuve à 110 °C ± 5 °C pendant au moins 16 heures.
- Répéter la procédure pour au moins quatre points avec des teneurs en eau croissantes/décroissantes réparties entre 15-25, 20-30 et 25-35 chocs.
Détermination de la Limite de Plasticité (LP) :
- Façonner une petite portion du sol humidifié sous forme de sphère et la rouler manuellement sur la plaque de verre dépoli avec la paume de la main.
- Exercer une pression suffisante pour former un cylindre (rouleau) de diamètre uniforme.
- Continuer le façonnage jusqu'à ce que le rouleau atteigne un diamètre de 3,0 mm (en utilisant la jauge de comparaison comme référence) et commence à se fissurer, à s'effriter ou à se fragmenter longitudinalement et transversalement.
- Recueillir immédiatement les fragments du rouleau fissuré, les placer dans une boîte à tarer avec couvercle et déterminer la teneur en eau par séchage en étuve.
- Exécuter la procédure jusqu'à l'obtention d'au moins trois déterminations valides dont la teneur en humidité ne diffère pas de plus de 1,0 % à 1,5 % entre elles.
7. Calculs et traitement des résultats
Le traitement mathématique des données de laboratoire comprend les étapes suivantes :
1. Calcul de la Teneur en Humidité (w) :
w = ((M1 - M2) / (M2 - M3)) * 100 (%)
Où M1 est la masse de la boîte à tarer avec le sol humide (g), M2 est la masse de la boîte à tarer avec le sol sec (g) et M3 est la masse de la boîte à tarer vide (g).
2. Obtention de la Limite de Liquidité (LL) :
Représenter graphiquement les points sur un diagramme semi-logarithmique (axe horizontal logarithmique : nombre de chocs N ; axe vertical linéaire : teneur en humidité w en %). Ajuster la droite d'écoulement aux points expérimentaux. La Limite de Liquidité (LL) est la teneur en humidité correspondant à l'intersection de la droite avec la ligne des 25 chocs, exprimée en nombre entier (arrondi sans décimales).
Alternativement, lorsque applicable par la norme et pour un essai à point unique :
LL = w * (N / 25)^0.121 (pour N entre 20 et 30 chocs).
3. Obtention de la Limite de Plasticité (LP) :
La LP est la moyenne arithmétique des humidités des rouleaux de 3 mm qui se sont fissurés, exprimée en nombre entier.
4. Calcul de l'Indice de Plasticité (IP) :
IP = LL - LP (%)
Si la LP est supérieure ou égale à la LL, ou s'il n'est pas possible de façonner les rouleaux de 3 mm avec une quelconque teneur en humidité, le sol est classé comme Non Plastique (NP).
8. Interprétation des résultats
La combinaison entre LL et IP permet de situer le sol sur la Carte de Plasticité de Casagrande et de déterminer son comportement géotechnique :
• Sols en dessous de la Ligne A (IP = 0,73 * (LL - 20)) : Prédominance de silts organiques ou inorganiques de compressibilité moyenne à élevée.
• Sols au-dessus de la Ligne A : Prédominance d'argiles inorganiques de faible plasticité (CL) ou de plasticité élevée (CH).
• Région hachurée (IP entre 4 et 7 et LL entre 12 et 25) : Sols limites avec double classification (CL-ML).
• IP < 7 : Sol de faible plasticité, peu cohésif, susceptible à l'érosion rapide et avec un comportement principalement granulaire.
• 7 <= IP <= 15 : Plasticité moyenne, adapté pour les remblais et les couches de forme à condition d'être compacté à l'humidité optimale.
• IP > 15 : Sol de plasticité élevée, très expansif et susceptible à de grandes variations de volume avec l'altération de la teneur en eau.
9. Erreurs courantes et comment les éviter
Dans la pratique quotidienne de laboratoire, les erreurs opérationnelles suivantes sont à noter :
• Hauteur de chute de la cuvette décalibrée : Si la hauteur de chute est différente de 10,0 mm ± 0,2 mm, l'énergie transmise altère la fermeture de la rainure. Solution : Vérifier quotidiennement avec le calibreur de la rainurette avant l'essai.
• Usure de la base en caoutchouc ou de la cuvette : Les cavités formées au point d'impact altèrent la résilience. Solution : Inspecter et remplacer les composants usés.
• Rainure mal exécutée : L'utilisation de rainurettes usées ou inclinées crée un jeu irrégulier au fond. Solution : Maintenir la rainurette strictement perpendiculaire et la remplacer lorsque la dimension du biseau perd sa tolérance.
• Temps de cure de la pâte insuffisant : Les argiles sèches additionnées d'eau sans temps de repos fournissent une LL faussement inférieure. Solution : Respecter la cure minimale de 12 heures en chambre humide.