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Evaluation of the structural characteristics of cement and fly ash stabilized desert sand


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Amhadi, Talal (2021). Evaluation of the structural characteristics of cement and fly ash stabilized desert sand. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Soil improvement or stabilization is a process of altering the physical characteristics of soils to improve their rheology, namely their shear strength characteristics. This process is beneficial when the readily available soils for road construction, is unable to withstand the projected traffic loads. Whether the improvement or stabilization focuses on the base layer or the subbase layer, or both, the bearing capacity of the whole pavement is increased, which results in meaningful technical due to added strength, economic due to reduced costs and environmental consequences because of lesser transport associated pollution.

It is well documented that Natural Desert Sand (NDS) referred to as dune sand is unfit for road construction. NDS is made up of fine and rounded particles, and therefore, it lacks the coarseness and angularity found in mechanically controlled and Crushed Fine Aggregate (CFA) that inherently creates an interlocking mesh, resulting in a stronger aggregate skeleton.

As a result, bases or subbases made of NDS do not provide adequate support for even lowvolume roads, compared to bases or subbases made of CFA. Therefore, adequate road construction material needs to be hauled, imported and even shipped over long distances in African countries like Senegal, Mali, Benin, Chad, Cote d’Ivoire, Algeria and Libya.

Ordinary Portland Cement (OPC) has however been used for many decades in small quantities to improve soils performance in compression, or in larger quantities to stabilize and increase flexural strength by increasing the rigidity of the soils.

In addition to the recourse to OPC, recourse in reasonable quantities to cheaper and readily available NDS, adjacent to the projected road alignment, saves on extracting, crushing, importing and hauling or shipping over long distances, good quality materials. This ultimately saves valuable and scarce aggregate resources which would have otherwise provided the needed coarseness and angularity.

This thesis investigates the improvement (flexible behaviour of the pavement in compression) and even the stabilization (rigid behaviour of the pavement in flexure) of NDS with OPC and with a combination of OPC-fly ash (FA), for bases and subbases of low-volume roads crossing desert land and subject to overloaded trucks. By increasing the base and subbase strength with these cementitious binders, the thickness of the asphalt concrete (AC), base and subbase layers can be substantially reduced. This is due to the stiffer support, resulting in lower tensile strain at the bottom of the AC layer, and lower compression strain at the top of the subbase and the subgrade, thereby reducing the effect on the native soil, the result of which is an increased structural life of the pavement and a reduced environmental life cycle cost.

The value of also improving or stabilizing the subbase, to increase the structural life is equally investigated in this thesis, in order to promote more sustainable roads.

To assess the increase in structural characteristics of stabilized soils for use as base and/or subbase layers with the addition of OPC and OPC-FA, several tests were performed such as compaction, unconfined compressive strength (UCS), resistance to deformation (CBR), permeability, and triaxial tests.

These tests were adequately proportioned and repeated on different samples in order to show how to draw relevant conclusions and recommendations leading to the least cost structural design, in economic and environmental terms.

The findings for instance with Libyan dune sand (NDS) are such that changes in the physical properties of the base or subbase, significantly affect their mechanical behavior. It is found that the optimal composition depends on three factors: the ratio of NDS and CFA, the type of stabilizer (OPC and/or FA), and the water / cement ratio.

Samples were mixed with two different ratios of aggregates (50:50 CFA: NDS and 30:70 CFA: NDS). Each sample was respectively mixed with the four different percentages of OPC (0% control, 3%, 5%, and 7%) and four different percentages of FA (0% control, 3%, 5%, and 7%) for a total of 32 samples tested.

The result show that the optimal mix would be composed of 30:70 CFA: NDS for the aggregate portions, with an optimal binder content of 7% of OPC and 7 % of FA. An economic analysis is performed for various percentages of cement and combinations of cement and fly ash. It is shown that despite high binder contents, the recourse to locally available NDS results in lesser consumption of non-renewable resources, lesser extraction, crushing and transport associated energy consumption and therefore, in social and environmental benefits from reduced noise, lower pollution emission and dust due to hauling. Additional and meaningful economic benefits also stem from reduced life cycle costs to the agency and also to the users, as a result of the increased structural capacity and therefore improved pavement performance.

In summary, cement and/or fly ash stabilization, whilst increasing the pavement strength, reduces the asphalt concrete, base and subbase thicknesses and associated construction and future maintenance costs.

This is in line with sustainable development objectives of the Paris Agreements, and their world reach, which require a balance between the economic, the social and the environmental aspects, and capacity building in Southern countries based on sound engineering principles.

In a strategic perspective, this research is in line with the above stated sustainable development objectives and is a demonstration on how to practice sustainable engineering in today’s civil engineering design in areas where good construction materials are scarce, a harsh reality in Northern Africa (Sahara) whereby the approach is validated, but also, albeit to a lesser extent, in Sub-Saharan Africa (SSA).

In an empirical and practical perspective, this research provides a methodology to use poor material to build sustainable roads by substantially reducing hauling over long distances and saving scarce and good quality materials. In fact, it is not so much the proportions found hereafter that are important but the methodology by which these findings are obtained. It is therefore hoped that this methodology is conducted as part of the preliminary design of projects of magnitude in areas suffering from scarce materials, as is too common in Africa.

Another contribution of this thesis is to highlight the cost-effectiveness of desert sand improvement or stabilization, by reducing the amount of new and imported material and optimizing the thickness of the asphalt concrete course.

Titre traduit

Évaluation des caractéristiques structurales des fondations en sable du désert, stabilisées au ciment et aux cendres volantes

Résumé traduit

L'amélioration voire la stabilisation des sols sont des processus qui consistent à modifier leurs caractéristiques physiques pour améliorer leur rhéologie, et particulièrement leur résistance au cisaillement. Ces processus sont bénéfiques lorsque les sols disponibles à proximité de l’alignement de la route à construire, ne peuvent pas soutenir le trafic projeté. Que seule la couche de fondation ou la couche de sous-fondation soit améliorée ou stabilisée, ou bien les deux, la capacité portante de l'ensemble de la chaussée en est augmentée. Ceci constitue en soi une plus-value technique par l’accroissement de la portance, économique par la réduction des coûts et environnementale par la réduction de la pollution associée.

Il est par ailleurs bien établi que le sable naturel du désert (SND) dit sable des dunes, n’est pas adapté à la construction. Sculpté par le vent, il est composé de particules fines, arrondies et lisses qui s’enchevêtrent difficilement, le rendant physiquement instable sous chargement vertical, et prône à une rupture par cisaillement. Le SND n'a ni la taille ni l'angularité requises des granulats concassés (GC) mécaniquement, auxquels on a couramment recours pour la construction de nouvelles chaussées. En effet, les GC créent un maillage entrecroisé, résultant en un squelette de granulats imbriqués, plus robuste. Force est donc d’admettre que les fondations ou les sous-fondations à base de SND ne fournissent pas un support adéquat pour les routes, même à faible trafic, en comparaison avec celles qui sont construites avec des GC. C’est à cause de cela, que des GC doivent souvent être transportés sur de longues distances, voire importés par camion ou par barges dans la majorité des pays d’Afrique tels que le Sénégal, le Mali, le Bénin, le Tchad, la Côte d’Ivoire, l'Algérie et la Libye.

Largement disponible partout sur la planète, le Ciment Portland Ordinaire (CPO) est utilisé depuis de nombreuses décennies, en petites quantités, pour améliorer le comportement des sols en compression. On parle alors d’amélioration. Avec plus de CPO, on peut même stabiliser les sols en augmentant également leur comportement en flexion, en leur conférant une plus grande rigidité, auquel cas on parle plutôt de stabilisation.

En sus du recours au CPO, le recours aussi, dans des proportions raisonnables, à du SND, moins cher et accessible, car adjacent au tracé prévu de la route, est d’intérêt pour réduire les quantités rares de sable manufacturé à obtenir par concassage et à transporter, qui ne sont alors utilisés que pour améliorer la granulométrie du SND. Dans l’esprit du développement durable, cette thèse contribuerait à réduire le gaspillage de précieuses ressources en roches de carrière, qui auraient autrement fourni la taille et l'angularité nécessaires.

C’est dans cet esprit que cette thèse examine l'amélioration (comportement flexible en compression) voire la stabilisation (comportement rigide en flexion) des SND avec du CPO, avec et sans le recours aux cendres volantes (CV), pour utilisation à titre de fondations dans les routes à faible débit de trafic dans les régions désertiques et sujettes à de lourdes charges. En augmentant donc avec ces liants, la résistance à la déformation de la couche de fondation ou de la sous-fondation, l'épaisseur de la couche d’enrobé bitumineux sera considérablement diminuée. Ceci est dû au support beaucoup plus rigide, résultant en une contrainte en traction significativement réduite à la base de la couche de l’enrobé, et une contrainte en compression également beaucoup plus faible, au haut de la sous-fondation et de la plateforme, réduisant de facto la sollicitation sur le sol et augmentant la durée de la vie structurale de la route et le coût environnemental sur le cycle de vie. L’intérêt de stabiliser également la sous-fondation, pour accroître la durée de vie structurale, est également évalué dans cette thèse afin de promouvoir des routes plus résistantes et donc plus durables lorsque fortement sollicitées.

Pour apprécier l'augmentation de la portance des sols par l'ajout de CPO, avec ou sans CV, plusieurs essais sont réalisés, soit des essais de compactage, de résistance à la compression (f’c), de résistance à la déformation (CBR), de perméabilité et d’essais triaxiaux.

Ces essais ont été effectués sur un nombre d’échantillons adéquatement proportionné afin de tirer des conclusions et des recommandations utiles pour un dimensionnement structural visant une optimisation économique sur le cycle de vie.

Il découle des essais et des analyses entreprises dans cette recherche que les modifications des propriétés physiques de la fondation, voire de la sous-fondation, affectent de manière appréciable leur comportement mécanique selon la teneur de SND vs GC d’une part et de la teneur de CPO et de CV d’autre part, et par ricochet l’optimisation de la conception structurale de la chaussée aux niveaux à la fois économique et environnemental.

Il ressort aussi que la composition finale optimale avec un sable naturel du désert (SND), provenant de la Libye, dépend du dosage de trois facteurs: le rapport entre le SND et les GC, le type de liant (CPO et/ou CV), et le rapport eau / ciment, et que cette composition affecte de façon significative le comportement mécanique de la chaussée qui en est constituée. En effet, les échantillons ont été mélangés avec deux ratios différents d'agrégats (50:50 GC:SND et 30:70 GC:SND). Chaque échantillon a été mélangé respectivement avec quatre différents pourcentages de CPO (0 % témoin, 3 %, 5 % et 7 %) et quatre pourcentages différents de CV (0% témoin, 3%, 5% et 7%) pour un total de 32 échantillons testés. Les résultats expérimentaux montrent que le mélange optimal pour un SND Libyen et la granulométrie des GC utilisée pour articuler le squelette granulaire, est composé de 30:70 GC:SND, avec une teneur optimale en liant de 7 % de CPO et de 7 % de CV.

Une analyse économique est effectuée pour différents pourcentages de ciment et de combinaisons de ciment et de cendres volantes. Malgré les quantités importantes de liant, le recours au SND aisément accessible, se traduit à la fois par une consommation moindre en ressources non renouvelables, par une moindre consommation en énergie d’extraction et de concassage et surtout, par moins de transport sur de longues distances, et donc des avantages sociaux et environnementaux liés à la réduction du bruit, des émissions polluantes et des poussières. On observe également des avantages économiques liés à la réduction des coûts sur le cycle de vie pour l'administration routière et pour les usagers, à cause de la résistance accrue de la chaussée, ce qui en prolonge la durée de vie, améliore la performance et par ricochet maintient les coûts d’exploitation des véhicules plus bas.

En résumé, l’amélioration au ciment et aux cendres volantes, en augmentant la résistance de la chaussée, diminue les épaisseurs de l’enrobé bitumineux, de la fondation et de la sous-fondation ainsi que les coûts de construction, d’entretien et de réhabilitation subséquents et les coûts d’exploitation des véhicules.

Cette thèse s’inscrit dans l’esprit des accords de Paris, dans leur portée mondiale, et reconnaît que les perspectives de développement durable en infrastructures, exigent un équilibre entre l'économie, le social et l'environnement. Il en ressort un transfert vers le Sud d’un savoir-faire qui repose sur une démarche scientifique saine. Cette thèse fournit une démonstration de la pratique d’une ingénierie civile durable en conception lorsque les bons matériaux de construction sont rares, une réalité en Afrique du Nord (région du Sahara) dans le cadre de laquelle cette recherche est établie, mais aussi en Afrique Sub-Saharienne.

Elle propose une méthodologie permettant d'utiliser des matériaux de mauvaise qualité pour construire des routes durables. En effet, ce n’est pas tant les proportions trouvées dans la présente qui en sont la contribution, mais la démarche suivie pour trouver cette combinaison, laquelle pourrait être appliquée pour chaque projet d’envergure.

Enfin, cette thèse contribue à mettre en évidence la rentabilité de l’amélioration du sable naturel du désert, en réduisant la quantité de matériaux nouveaux et importés ainsi qu’en optimisant l'épaisseur de la couche d’enrobé bitumineux.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 137-151).
Mots-clés libres: sable naturel du désert, ciment portland ordinaire, amélioration au ciment, stabilisation au ciment, cendres volantes, essais de compactage, résistance en compression, résistance structurale, développement durable
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Assaf, Gabriel J.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 04 févr. 2022 20:07
Dernière modification: 04 févr. 2022 20:07

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