Méthode d'essai et d'étude du soulèvement dû au gel à l'aide d'une chambre d'essai personnalisée

Qu'est-ce que le phénomène Frostheaval ?

Le soulèvement dû au gel est un phénomène naturel par lequel, dans des conditions de gel, le sol se gonfle à cause de la glace qui l'a pénétré .

La glace se développe vers le haut : la croissance de ses cristaux est freinée par le sol, mais cela ne suffit pas à empêcher la formation de lentilles à l'intérieur de celle-ci.

Pour ce type de test, FDM propose ses solutions FDM personnalisées, conçues et fabriquées en Italie depuis 1949.

Les cristaux de glace se lient alors au sol, formant un seul bloc solide qui finit par le soulever.

 Normalement, la résistance augmente lorsque la température diminue.

Ce processus dangereux entraîne des dommages aux routes et aux bâtiments, à des degrés divers selon le type de sol et son taux d'humidité.

Des chercheurs de premier plan tels que Konrad, Morgenstern et Penner ont étudié le soulèvement dû au gel à l'aide de diverses d'essais en laboratoire, afin d'analyser le phénomène de près.

Au fil du temps, certains des centres de recherche les plus importants au monde ont souhaité proposer des méthodes de test standardisées pour les laboratoires.

L’objectif est de guider ces derniers dans une meilleure analyse des caractéristiques du soulèvement dû au gel.

Les principaux points de référence sont :

• TRRL (Transport and Road Research Laboratory) au Royaume-Uni
• L' organisme britannique de normalisation, également au Royaume-Uni ( BS 812-124:2009 )
• L' ISO (Organisation internationale de normalisation) avec la ISO 13793:2001
• JGS (Société géotechnique du Japon) au Japon (JGS 0172)

Comment simuler le soulèvement dû au gel ?

Prévenir le soulèvement dû au gel est extrêmement important, mais loin d'être simple.

Un client important nous a fait part de la difficulté à réaliser ce type de test et de l'indisponibilité sur le marché d'équipements permettant de vérifier ce phénomène.

C’est pourquoi, chez FDM, nous avons développé une machine sur mesure capable d’effectuer automatiquement les tests de soulèvement par le gel pertinents, en simulant des conditions environnementales réelles.

La chambre d'essai SRU (FHU812) a été développée conformément à la norme britannique BS 812-214.

Il est composé de deux environnements distincts : l’un à température contrôlée et l’autre contenant tous les composants d’alimentation et de contrôle nécessaires au fonctionnement de la machine.

L'environnement à température contrôlée est divisé en deux conteneurs, tous deux indépendants l'un de l'autre.

1. Réservoir d'eau: placé au fond et contenant de l'eau maintenue à 4 °C
2. Réservoir d'air: placé en hauteur et contenant de l'air réfrigéré à -17 °C

Entre les deux conteneurs se trouvent un berceau intermédiaire et un support en bois qui maintient les échantillons à tester.

La chambre est également fournie avec un cadre de référence et 9 tiges en laiton.

Les 9 barres correspondent aux 9 éprouvettes qui, en gelant par capillarité, font monter les barres de laiton.

Fonctionnement de la machine SRU

Il s'agit d'une simulation exacte du phénomène réel, imitant donc le gel du sol.

L'eau provenant de l'environnement à température contrôlée monte et gèle, ce qui relève les barreaux.

Le responsable des essais peut ainsi mesurer la levée de chaque échantillon simplement en mesurant la levée des barres.

La machine est équipée d'un écran tactile qui automatise le test autant que possible.

L'utilisateur doit charger la chambre avec les échantillons, installer le cadre de référence, insérer les tiges en laiton, puis lancer le test à l'aide d'un bouton sur l'écran tactile.

La machine se chargera du reste en alertant l'utilisateur chaque fois qu'il sera nécessaire de prendre la mesure de levage.

À la fin du test, il est possible de retirer la clé USB et de télécharger sur un PC toutes les données enregistrées par les onze sondes installées dans le volume de test.

Téléchargez les spécifications techniques de cette chambre d'essai

Nous facilitons vos tests et produisons des machines sur mesure

Chez FDM, nous recherchons constamment des solutions pour améliorer les tests environnementaux afin d'aider les chercheurs scientifiques avec des machines efficaces, fiables et surtout personnalisées pour chaque type d'application.

Grâce à ce projet précis, nous avons pu aider un chercheur qui avait besoin de rationaliser son processus de test.

Il nous a lui-même révélé que les résultats étaient excellents.

SRU a accéléré les processus d'étude de notre client de 60 % par rapport à ses méthodes précédentes et lui a permis d'obtenir des valeurs plus fiables.

Chez FDM, nous prenons en compte les besoins de chaque client, nous sommes à l'écoute de toutes les demandes et nous nous efforçons de répondre à toutes vos exigences en matière de tests, même s'il s'agit d'une seule machine personnalisée.

En contactant FDM, vous recevrez des réponses immédiates sur la faisabilité et les coûts de vos projets, avec une transparence et un professionnalisme maximum, et ce depuis plus de 70 ans.

Découvrez la solution FDM pour les essais de soulèvement dû au gel : notre chambre d’essai de soulèvement dû au gel simule le phénomène de soulèvement dû au gel selon la norme BS812:PT124:1989 avec 9 spécimens simultanés.

Normes de référence

• ISO 17892-5 — Investigations et essais géotechniques, essais de laboratoire des sols, Partie 5 : Essai œdométrique à chargement incrémental, référence pour la caractérisation des sols cohérents.
• UNI EN 13286-51 — Mélanges liés et non liés : Méthodes d'essai pour déterminer la résistance au gel-dégel des mélanges cimentés.
• ASTM D5918 — Méthodes d'essai normalisées pour la sensibilité des sols à l'affaiblissement dû au gel et au dégel, méthode de référence américaine pour le cryofracture.
• AASHTO T 103 — Méthode standard pour la solidité des granulats par gel et dégel, un test de durabilité des granulats pour les sous-couches de route.
• ISO 10545-12 — Carreaux de céramique : Détermination de la résistance au gel par cycles de gel-dégel.
• EN 12390-9 — Essais du béton durci : résistance au gel-dégel, méthodes de dalle et CIF pour le béton.

Sources faisant autorité

• ASTM D5918 Soulèvement dû au gel. Méthode de référence internationale pour la caractérisation de la sensibilité au gel.
• L’ISO – Organisation internationale de normalisation– gère la série de normes ISO 17892 relative aux essais géotechniques en laboratoire.
• AASHTO – Association américaine des responsables des autoroutes et des transports des États. Publie la norme T 103 et des manuels pour la conception de chaussées résistantes au gel.

Questions fréquemment posées sur le test Cryolift

Qu’est-ce que le phénomène de soulèvement dû au gel ?

Le soulèvement dû au est la surélévation volumétrique d'un sol saturé causée par la formation de lentilles de glace lors du gel. Le mécanisme est bien décrit par la théorie de Taber : le gradient thermique induit la cristallisation capillaire de l'eau au front de gel, tandis que l'eau résiduelle sous-jacente migre par succion matricielle vers la zone froide, alimentant la croissance des lentilles. Ce phénomène requiert trois conditions simultanées : (1) un sol sensible (limons et argiles limoneuses avec une fraction d'eau disponible ; la nappe phréatique se situant entre 1,5 et 2 m du plan de gel) ; (2) un gel prolongé avec un faible gradient thermique (typiquement 1 à 2 cm/jour). La surélévation peut atteindre 10 à 20 cm en hiver, endommageant les chaussées, les fondations superficielles et les voies ferrées. Les argiles pures et les sables fins ne sont pas sensibles (perméabilité trop faible), de même que les sables fins (capillaire insuffisante) : la plage critique se situe entre 0,074 mm et 35 % pour les limons

Comment simuler le gel-dégel en laboratoire ?

La méthode ASTM D5918 exige qu'un échantillon cylindrique (150 mm de diamètre x 150 mm de hauteur) soit placé dans une cellule à pression atmosphérique dont la base est à -3 °C et le sommet à +3 °C , créant ainsi un gradient de 40 K/m. La saturation est maintenue par un apport d'eau provenant d'un réservoir à équilibre hydrostatique. Durée de l'essai : 8 cycles de gel-dégel de 8 h de congélation et 16 h de dégel, soit 8 jours au total. Les paramètres suivants sont mesurés en continu : (a) la hauteur de soulèvement à l'aide d'un capteur LVDT (résolution de 0,01 mm) ; (b) le débit d'eau absorbé par l'échantillon (ml/h) ; (c) la température en 5 à 7 points axiaux à l'aide de thermocouples de type T ; (d) la pression de cryosuccion à l'aide de tensiomètres. Les résultats classent le sol comme suit : négligeable (< 1 mm/jour), faible (1-2 mm/jour), moyen (2-4 mm/jour), élevé (4-8 mm/jour) et très élevé (> 8 mm/jour) de soulèvement maximal. La chambre doit assurer un contrôle de +/- 0,2°C sur les températures de bord et une humidité relative ambiante stable afin d'éviter le dessèchement de l'échantillon.

Quand est-ce crucial en génie civil ?

Le soulèvement dû au gel est un facteur clé dans la conception : (1) des chaussées dans les zones où la profondeur de gel est supérieure à 0,5 m (Italie du Nord alpine, Europe centrale et septentrionale, Canada, Russie), où il est nécessaire de prévoir des couches granulaires hors gel de 40 à 80 cm d’épaisseur sous les fondations ; (2) des fondations superficielles de bâtiments, qui doivent être situées à une profondeur de gel maximale de + 20 cm (UNI EN 1997 Eurocode 7) ; (3) des réservoirs souterrains et des conduites d’eau potable, avec une profondeur minimale de 1,2 m dans la plaine du Pô ; (4) des lignes ferroviaires à grande vitesse des tunnels et des fondations sur pieux en zones de pergélisol. Le coût d’une conception erronée est élevé : réparations de chaussée de 50 à 200 €/m², soulèvement des fondations avec fissuration des bâtiments. Les essais préalables sur des échantillons intacts coûtent entre 500 et 2000 euros par spécimen et permettent d'optimiser l'épaisseur des couches et les systèmes de drainage.

Pourquoi une chambre climatique FDM sur mesure ?

Les essais de soulèvement dû au gel nécessitent des chambres non standard adaptées aux dimensions des échantillons (150 à 300 mm de diamètre), un gradient thermique contrôlé , une alimentation en eau à pression constante et un accès aux instruments par le haut et par le bas. Les chambres climatiques commerciales standard ne présentent pas une géométrie appropriée. Une sur mesure intègre : (1) des plaques thermostatiques Peltier ou à glycol indépendantes (supérieure et inférieure) avec une régulation de ± 0,1 °C ; (2) un compartiment isolé en mousse de polyuréthane de 80 mm avec pare-vapeur ; (3) un système d’alimentation en eau avec pompe péristaltique et échelle graduée en ligne pour la mesure du débit absorbé ; (4) une traverse mécanique avec capteur LVDT pour la mesure du soulèvement avec compensation thermique ; (5) un système d’acquisition multicanaux pour 16 à 32 thermocouples ; (6) un logiciel dédié pour le cyclage automatique et la génération de rapports conformes aux normes ASTM. Ce projet sur mesure est requis par les laboratoires géotechniques universitaires, ANAS/Autostrade pour les essais de matériaux de fondation et les fabricants de granulats pour la certification.