18- LA STABILITE STRUCTURALE
Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 18- LA STABILITE STRUCTURALE INTRODUCTION GENERALE ........................................................... 1 LA METHODE LE BISSONNAIS (METHODE LABORATOIRE LSV)............................. 4 METHODE LE BISSONNAIS (NORME FRANÇAISE 2005) .................................. 11 METHODE KEMPER ET ROSENAU 1986 ................................................. 24 REFERENCES....................................................................... 30 INTRODUCTION GENERALE I. Principe But Donner une description réaliste du comportement des matériaux-sols soumis à l’action de forces disruptives sur le terrain grâce à une méthode standardisée de laboratoire et ainsi permettre un classement relatif des matériaux vis-à-vis de ce comportement. La stabilité structurale est une propriété fondamentale des sols pour de nombreux aspects, particulièrement en ce qui concerne l’hydrodynamique et l’érosion. L’érosion hydrique est l’un des principaux phénomènes responsables de l’évolution des reliefs à la surface du globe (Le Bissonnais, 1988). De plus, l’évolution structurale de la surface du sol sous l’action des pluies peut également conduire à la formation de croûtes superficielles ce qui peut avoir un impact important sur l’agronomie (mauvaise implantation des cultures, Richard, 1988 ; ou mauvaise reconstitution des réserves en eau, Sebillotte, 1968). Définitions Agrégat (aggregate) : groupe de particules primaires qui adhèrent les unes aux autres plus fortement que les particules de sol avoisinantes. Stabilité des agrégats (stability of aggregates) : la désintégration des agrégats du sol requiert l’action de forces disruptives (ex : humidité, action de la pluie, action du vent et autres) La stabilité structurale est une mesure de la résistance des agrégats à la désintégration, les agrégats étant soumis à des forces disruptives. Principales caractéristiques des différents mécanismes de désagrégation. Les mécanismes de désagrégation sont complexes et le nombre important des paramètres impliqués fait qu’il existe une certaine confusion en ce qui concerne les processus de la dégradation structurale et ses relations avec l’érosion du sol. Le Bissonnais (1995) distingue 4 mécanismes principaux qui se différencient du point de vue de la nature des interactions en jeu et de l’énergie nécessaire à leur rupture, des conditions physicochimiques nécessaires pour leur mise en œuvre et de la nature et la taille des particules résultant de la désagrégation (Tableau 18.1) 1 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 Tableau 18.1 : Mécanismes de désagrégation et de leurs caractéristiques principales Mécanisme Eclatement Désagrégation par gonflement différentiel En anglais Slaking Breakdown by differential swelling Définition Désagrégation par Microfissuration compression de par gonflement l’air piégé lors de différentiel l’humectation Nature des forces Pression interne Pression interne en jeu de l’air piégé lors par gonflement de l’humectation différentiel de l’argile Intensité de la Totale ou partielle Partielle désagrégation Propriétés du sol Porosité Gonflement en jeu Mouillabilité potentiel Cohésion interne Cohésion Diminue si le taux Conditions d’argiles d’humectation augmente Augmente si le taux d’argiles augmente Particules Petits agrégats Macroet résultantes microagrégats (<500m) taille augmente avec taux d’argiles Désagrégation mécanique Dispersion physico-chimique Breakdown by Physico-chemical raindrop impact dispersion Désagrégation Dispersion sous l’impact des gouttes de pluie Impact des Réduction des gouttes d’eau forces d’attraction entre particules Cumulative Totale Cohésion humide Statut ionique (argile, MO, Minéralogie de oxydes) l’argile Particules élémentaires microagrégats Particules et élémentaires L’éclatement : L’éclatement de l’agrégat est lié à la pression exercée par l’air interne de l’agrégat, piégé lors de la réhumectation (Yoder, 1936 ; Henin, 1938). Parallèlement, une diminution des forces de liaison intervient à cause de la réhumectation du sol. L’éclatement diminue lorsque la teneur en eau des agrégats de départ augmente du fait de la diminution du volume d’air piégé. Les sols argileux sont moins sujets à l’éclatement du fait de leur porosité réduite et parce qu’ils retiennent plus d’humidité pour une contrainte hydrique donnée (Le Bissonnais, 1990). L’éclatement produit des particules élémentaires et des microagrégats de taille inférieure à 500m). Un éclatement partiel peut intervenir lorsque les agrégats sont partiellement saturés ou que la vitesse d’humectation est lente. Dans ce cas, les particules produites sont plus grossières. Désagrégation par gonflement différentiel : Les phénomènes de gonflement-retrait qui interviennent lors des cycles d’humectation-dessiccation des sols argileux entraînent une microfissuration des agrégats (Kheyrabi et Monnier, 1968 ; Le Bissonnais, 1990). Ils contribuent donc à la réduction du diamètre moyen de ces derniers à la surface du sol avec cependant des conséquences directes moins importantes que le premier mécanisme. 2 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 Désagrégation mécanique : L’impact des gouttes de pluie peut fragmenter les agrégats et surtout détacher des particules de leur surface. Ce mécanisme intervient en général conjointement aux autres mécanismes et nécessite une pluie d’une certaine énergie. Le sol joue un rôle prédominant à partir du moment où les sols sont saturés, du fait de la diminution de la résistance mécanique des agrégats et du changement de nature des chocs lié au ralentissement de l’infiltration. Dispersion physico-chimique : Elle résulte de la réduction des forces d’attraction entre les particules colloïdales lors de l’humectation (Emerson, 1962 ; Sumner, 1992). Elle dépend de la taille et de la valence des cations présents qui peuvent former des ponts entre les particules chargées négativement. Dans les sols, cette dispersion est surtout liée à la présence de sodium échangeable qui est monovalent, alors que l’ion calcium divalent favorise plutôt la stabilité (Shainberg, 1985). Caractéristiques des sols influençant la stabilité structurale : •Taux de sodium échangeable : dès qu’il atteint 10 % de la CEC, le sol est très sensible à la dispersion physico-chimique. •Teneur en oxydes et hydroxydes de fer et d’aluminium : ces composants jouent un rôle de floculants dans le sol en établissant des ponts entre les argiles et les polymères ou en précipitant sous forme de gels en surface des argiles. Ils stabilisent ainsi les agrégats par cimentation. •Matière organique : agent de liaison entre les particules minérales du sol qui peut également rendre hydrophobes les surfaces des particules minérales. Ceci ralentit la vitesse d’humectation des agrégats et donc leur éclatement. Attention, les différents types de matière organique tiennent des rôles différents. Ainsi, la litière a un rôle physique contre la désagrégation mécanique et augmente l’activité microbienne ; les racines et les hyphes des champignons stabilisent les macroagrégats ; les microorganismes et leurs sécrétions (EPS) augmentent la stabilité des microagrégats par des actions physico-chimiques. •Texture : particulièrement la teneur en argiles et leur minéralogie (aptitude des argiles à établir des liaisons entre elles directement ou par l’intermédiaire de cations ou de polymères : smectites > illites > kaolinites). •Teneur en calcaire : du point de vue de sa composante chimique, mais son effet dépend essentiellement de la taille des particules (calcaire actif ou calcaire total) ainsi que de la présence d’argile. II. Méthodes Plusieurs méthodes de mesures de la stabilité structurale d'un sol existent afin de mettre en évidence différents mécanismes de désintégration des agrégats. Tout d'abord, la méthode de Kemper & Rosenau est une méthode générale qui permet de comparer des sols au niveau de leur stabilité sans chercher à mettre en évidence les différents processus de désintégration agissant sur les agrégats. Elle est donc utile et conseillée si on cherche à définir la sensibilité d'un sol à la désagrégation. La méthode de Le Bissonnais permet de séparer les différents processus de désintégration (pluies violentes,...). Par différents traitements, elle essaie d'imiter au mieux les conditions de terrain. Cette méthode est donc utile si on veut mettre en évidence l'un ou l'autre processus en particulier. Par conséquent, si on cherche une comparaison de stabilité générale de différents sols, il est conseillé d'utiliser la méthode Kemper & Rosenau, alors que si on s'intéresse en particulier à un phénomène de 3 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 désintégration des agrégats, il est préférable d'utiliser une des méthodes de Le Bissonnais qui sont plus rapides que Kemper et Rosenau. LA METHODE LE BISSONNAIS (METHODE LABORATOIRE LSV) La méthode présentée ci-après est largement inspirée de Henin & al. (1958) avec différents ajouts ou modifications (voir Le Bissonnais & Le Souder, 1995). Vu la complexité des forces de désintégration, il est quasiment impossible de proposer un mode opératoire unique. C’est pourquoi dans la suite de ce document, nous allons détailler plusieurs procédures qui simulent les différents phénomènes naturels. Cette méthode a été élaborée au LSV par Luisier et Degen (2002). Cette méthode se compose d’une suite de 3 tests (tableau 18.2) ayant pour objectif de rendre compte de la stabilité structurale dans les différentes conditions climatiques, hydriques et structurales que l’on peut rencontrer à la surface du sol. Tableau 18.2 : Tests relatifs aux différents mécanismes de désagrégation. Type de Désagrégation Eclatement Microfissuration désagrégation mécanique Immersion rapide dans Réhumectation lente par Agitation Test l’eau capillarité réhumectation N° du test 1 2 3 après Lors de la détermination de la stabilité des agrégats, des quantités connues d’agrégats de calibre connu sont soumis à des forces de désintégration qui simulent des forces naturelles. La quantité d’agrégats détruits ou non est mesurée en déterminant la portion pondérale d’agrégats qui ont été cassés en agrégats plus petits et en particules élémentaires sous un seuil donné. Cette mesure est réalisée par tamisage. 1) Matériel balance appareil de Hénin étuve à 40°C étuve à 105°C grands tamis de 5 et 2mm minis tamis de 2000, 1000, 500, 200, 100 et 50µm pipette pissette avec de l’eau désionisée pissette avec de l’éthanol (70% ) récipient avec de l’éthanol (70% ) 2 gros élastiques cristallisoirs 1 pinceau à poils courts et durs 1 policier système de filtration avec pompe à vide filtres de 5 µm (n° 595) 4 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 Matériel pour traitement N° 1 bécher de 100 ml Matériel pour traitement N° 2 boîte de Pétri en verre papier filtre de 2 µm de la ouate Matériel pour traitement N° 3 erlenmeyer de 500 ml bécher de 100 ml 3) Mode opératoire a) Echantillon de départ Prélèvement Prendre les échantillons à la même période de l’année afin d’éviter les variations saisonnières. Prélever au champ dans des conditions d’humidité modérée (éviter les conditions extrêmes comme le gel, sols saturés ou très secs). Séchage Ramener l’échantillon dans une boîte rigide et le mettre rapidement à sécher à l’air dans une atmosphère tempérée et ventilée. Pendant cette période, les grosses mottes peuvent être périodiquement brisées à la main pour produire, dans les conditions d’humidité optimales, le maximum d’agrégats de taille millimétrique. Congélation Si l’analyse ne peut être effectuée rapidement, il est préférable de congeler les échantillons et de les mettre à sécher avant l’analyse car la stabilité structurale augmente avec le temps. Traitements préliminaires Passer l’échantillon sur des tamis superposés présentant un maillage de 5mm et de 2mm. Le tamisage se fait avec la même force pour tous les échantillons. S’il y a suffisamment de matériel à disposition, tamiser alors de manière délicate. Sélectionner les agrégats de 2 à 5mm pour les tests. Juste avant les tests, les agrégats sont mis à l’étuve à 40°C pendant 24 h. Cela permet de supprimer d’éventuelles variations d’humidité et d’uniformiser les conditions de traitement. Remarque : La plupart des tests utilisent une fraction spécifique du sol ou des agrégats calibrés. Cela permet d’obtenir une base de comparaison commune. Le plus souvent, on utilise des agrégats situés dans la tranche 1 à 10 mm de ø. 5 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 Prise d’échantillons 5 g de sol par traitement (diamètre entre 5 et 2 mm). b) Blancs Il n’est pas nécessaire de faire de blancs, mais il est prudent de se calibrer au préalable avec du sol de référence dont la stabilité structurale est connue. c) Procédure I Première étape : les différents traitements Traitement No1 : humectation rapide par immersion (fast wetting) But Tester le comportement de matériaux secs soumis à des humectations brutales mimant des irrigations par submersion ou des pluies intenses (impact des gouttes non pris en compte dans ce cas). 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Peser la prise d’essai d’agrégats de 2 à 5 mm (poids initial). Noter la masse m, en g (w1). Verser 50 ml d’eau désionisée dans un bécher de 100ml. . Verser les agrégats dans le bécher. Laisser reposer 10 min (observation visuelle de l’éclatement). Evacuer l’excès d’eau par pipetage. Transférer les agrégats sur un tamis de 50 m immergé dans l’éthanol, en s’aidant d’abord d’une pissette d’eau désionisée puis d’une pissette d’éthanol. Organisation : Lancer un échantillon tous les 5 minutes (maximum 4 échantillons avant de filtrer l’éthanol de la deuxième étape). Attendre 20 min entre le lancement du dernier échantillon de la première série et le lancement de la deuxième série (voir figure 18.1). 6 Manuel de laboratoire_LSV L1 0 E ch 1 I E ch 2 5 10 15 20 v1.1_07-2011 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 T I E ch 3 E ch 4 T I T I E ch 5 E ch 6 E ch 7 E ch 8 E ch 9 T F il tr a tio n I T I T I T I T F iltr a t io n I E ch 10 E ch 11 E ch 12 E ch 13 E ch 14 E ch 15 E ch 16 T I T I T I T F ilt r a tio n I T I T I T I T Imbibation Deuxième imbibation Tamisage humide Figure 18.1 : Organisation des échantillons du premier traitement Traitement No 2 : humectation lente par immersion (slow wetting) But Tester le comportement de matériaux secs ou peu humides soumis à des pluies modérées. Ce traitement est moins destructif que l’humectation rapide et permet de discriminer des sols très peu stables. 1. 2. 3. Peser 5 g d’agrégats entre 2 et 5 mm (poids initial). Noter sa masse m, en g (w1). Poser dans une boîte de Pétri de la ouate et ajouter avec une pissette de l’eau désionisée jusqu’à ce que la ouate se trouve imbibée d’eau. Poser ensuite un papier filtre (seuil de rétention 2 µm) sur la boîte de Pétri de manière à ce qu’il soit en contact avec la ouate. Disposer les agrégats sur le papier filtre et attendre la réhumectation des agrégats par capillarité (au moins 30 min). 4. Transférer les agrégats sur le tamis de 50 m immergé dans l’éthanol, en s’aidant d’abord d’une pissette d’eau désionisée puis d’une pissette d’éthanol. Organisation : Lancer un échantillon tous les 5 minutes (maximum 4 échantillons avant de filtrer l’éthanol de la deuxième étape). Deuxième série peut être lancée 15 min après la fin de la première série (voir figure 18.2). 7 Manuel de laboratoire_LSV L2 0 Ech 1 I Ech 2 5 10 15 20 v1.1_07-2011 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1 00 1 05 1 10 11 5 12 0 T I Ech 3 Ech 4 T I T I Ech 5 Ech 6 Ech 7 Ech 8 Ech 9 Ech 10 T F iltra tio n I T I T I T I T F iltra tio n I T I Ech 11 Ech 12 T I T I T F iltra tio n Imbibation Deuxième imbibation Tamisage humide Figure 18.2 : Organisation des échantillons du deuxième traitement. Traitement No 3 : désagrégation mécanique par agitation réhumectation (mechanical breakdown by shaking after pre-wetting) après But Tester le comportement des matériaux humides (périodes hivernales humides). La réhumectation préalable a pour objectif de tester la cohésion des matériaux à l’état humide indépendamment de l’éclatement. Cette réhumectation sans éclatement peut être réalisée sous vide ou par utilisation d’un liquide non polaire et miscible à l’eau tel que l’éthanol. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Peser une prise d’essai dans un bécher de 100 ml. Noter la masse m, en g (w1). Immerger les agrégats dans l’éthanol pendant 30 mn. Evacuer l’excès d’éthanol. Verser 50 ml d’eau désionisée dans un erlenmeyer de 500ml gradué à 250ml. Transférer les agrégats dans l’erlenmeyer à l’aide d’une pissette d’eau désionisée. Ajuster le niveau de l’eau à 250 ml en versant avec la pissette sur le bord de l’erlenmeyer (on évite ainsi l’impact direct sur l’échantillon). 8. Agiter manuellement l’erlenmeyer en effectuant 10 retournements. 9. Laisser reposer 30 minutes avec observation visuelle de la décantation. 10. Evacuer l’excès d’eau par pipetage. 11. Transférer les agrégats sur le tamis de 50 m immergé dans l’éthanol avec la pissette d’éthanol. Pour l’organisation des échantillons, voir figure 18.3. 8 Manuel de laboratoire_LSV L3 0 Ech 1 I 1 Ech 2 5 10 15 20 v1.1_07-2011 25 30 35 40 45 I 2 I 1 Ech 3 55 60 65 I 2 I 1 T I 2 I 1 Ech 7 80 85 90 95 100 105 110 115 120 T I 2 I 1 Ech 6 75 T I 2 Ech 5 70 T I 1 Ech 4 50 T I 2 I 1 Ech 8 F ilt r a t io n T I 2 I 1 T I 2 T F ilt r a t io n Imbibation Deuxième imbibation Tamisage humide Figure 18.3 : Organisation des échantillons du troisième traitement. II : Deuxième étape : mesure de la distribution de la taille des particules résultantes But Décrire le résultat de la désagrégation en évitant au maximum toute désagrégation supplémentaire. On utilise la même procédure à la suite de chaque traitement. Cette procédure se déroule en deux étapes. Etape 1 1. 2. appliquer 5 fois un mouvement hélicoïdal (avec l’appareil de Hénin) au tamis de 50 m immergé dans l’éthanol. Cela mène à une première séparation granulométrique. Afin de limiter les pertes par le bord supérieur du tamis, le couvrir avec un deuxième tamis (250 m) et attacher le tout avec un élastique large. Pour permettre à l’éthanol de circuler entre les deux tamis, il faut laisser un petit espace (décaler légèrement les tamis). récupérer la fraction > 50 m avec une pissette d’éthanol dans un cristallisoir préalablement taré et faire sécher le tout à 105°C pendant 48 h. Etape 2 3. 4. 5. 6. la fraction > 50 m sèche est transférée à l’aide d’un pinceau à poils courts et durs sur une colonne de 6 tamis de maillage 2000 m, 1000 m, 500 m 200 m, 100 mm et 50 m. Tamiser en agitant doucement manuellement les 6 tamis (environ 10 fois). Passer doucement 10 fois un policier en un mouvement circulaire sur les agrégats. Secouer à nouveau 10 fois doucement la colonne de tamis. Récupérer les fractions de chaque tamis dans des cristallisoirs à l’aide d’un pinceau. Placer chaque fraction à l’étuve pendant 24h à 105°C et peser (la fraction < 50 m est obtenue par déduction par rapport au poids initial). Noter la masse m, en g (w2). 4) Récupération Vider les cristallisoirs dans la poubelle 9 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 5) Calculs Avec : w1 i w2 i w3 i HR masse de la prise d’essai en g. masse de la fraction de sol en g après passage à l’étuve masse de particules primaires en g après passage à l’étuve humidité résiduelle en (g/g). Alors la proportion de stabilité des agrégats de chaque fraction (WSAi) peut être calculée comme suit : WSA i (w2 i - w3i ) n (( w1 /(1 HR)) i1 w3i ) Où i = 1, 2, 3, …, n correspond à chaque fraction de taille. A partir de cette équation, on peut calculer le diamètre moyen des agrégats (MWD): n MWD i1 x i WSAi Où xi correspond au diamètre moyen de chaque fraction (par exemple 1.5 mm entre le tamis de 2 mm et de 1 mm). 10 Manuel de laboratoire_LSV METHODE LE BISSONNAIS (NORME v1.1_07-2011 FRANÇAISE 2005) 11 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 12 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 13 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 14 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 15 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 16 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 17 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 18 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 19 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 20 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 21 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 22 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 23 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 METHODE KEMPER ET ROSENAU 1986 I. Principe Les mesures de stabilité peuvent être effectuées à grande échelle sur l’ensemble du sol ou des macroagrégats (>250 µm), ou alors à une échalle plus fine en fonction des tailles de particules (limons et argiles). A grande échelle, les agrégats, ou le sol dans son entier, sont exposés à des forces disruptives, en général par tamisage humide. La proportion d’agrégats restant sur un ou plusieurs tamis représente les agrégats stables. A petite échelle, les méthodes consistent généralement en la caractérisation des suspensions créées comme le résultat de l’exposition des agrégats à des forces disruptives soit par turbidimétrie ou densitométrie (Angers and Mehuys, 2000). Dans ce chapitre, nous allons décrire les méthodes pour déterminer : la proportion de stabilité des macros agrégats (= wet-aggregate stability (%WAS)) la distribution par taille des agrégats stables à l’eau, exprimée en diamètre moyen des agrégats (= mean weight diameter (MWD)). LA PROPORTION (%WAS) DE STABILITE DES MACROS-AGREGATS I. Principe La stabilité des agrégats est déterminée par la mesure de la proportion d’agrégats d’une taille donnée (en principe 1 à 2 mm) qui ne se désagrègent pas en plus petites unités qu’une taille présélectionnée (en général 250 µm) sous l’influence de forces disruptives. Pour la plupart des sols, une correction en fonction de la teneur en particules primaires doit être faite par dispersion des agrégats stable au moyen d’hexamétaphosphate de sodium. I. Méthode 1) Matériel Machine de stabilité structurale (Bourget and Kemper, 1957 ; Kemper and Rosenau, 1986) située dans le local borgne. Etuve à 105°C Table d’agitation Grand récipient de stabilité structurale (microcosme orange avec base) mini tamis de 0.250 mm. 1 Erlenmeyers de 250 ml tarés 1 Pissette d'eau désionisée 1 chronomètre 1 policier 24 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 2) Réactifs 50 ml d’hexamétaphosphate de sodium (0.5 %) par échantillon 3) Mode opératoire a) Echantillon de départ Pour cette analyse, on utilise la fraction de sol comprise entre 1 et 2 mm séchée à l’air, ou alors stockée fraîche directement au congélateur puis séchée à l’air. La prise d’essai est de 5 g . b) Blancs Il n’est pas nécessaire de faire de blancs, mais il est prudent de calibrer la méthode au préalable avec du sol de référence dont la stabilité structurale est connue. c) Procédure Il est conseillé de réaliser une mesure test pour apprivoiser le système et de demander les informations complémentaires à une personne expérimentée du laboratoire. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Peser une prise d’essai Noter sa masse m, en g (w1) TRES IMPORTANT : Placer le sous pied en plastique gris et vérifier que le point le plus bas de la machine avec la colonne de tamis ne touche pas le sol !!! Placer et fixer le tamis à la machine de stabilité structurale Ouvrir le robinet d’air comprimé et enclencher la machine de stabilité au niveau de la boîte de commande. Appuyer sur RESET lorsque la machine l’indique Vérifier qu’il n’y a pas d’eau dans le petit récipient à l’arrivée de l’air comprimé, auquel cas le vider. Vérifier que la pression est bien à 5 bars. S’assurer que le programme de la machine est bien sur « Cycle Va et Vient ». Préparer un chronomètre sur 15 min et enclencher-le tout en appuyant sur le bouton « START » de la machine. La machine va descendre et s’arrêter 15 min avant de commencer les allers-retours. Vous avez donc 5 min pour remplir le grand récipient avec de l’eau désionisée jusqu’à hauteur de maillage du tamis (la prise d’essai doit pouvoir être déposée et se réhumecter par capillarité). Pour cela, utiliser un tuyau raccordé à l’évier et remplissez lentement le récipient à partir des tamis. Cette étape est délicate car il arrive que des bulles d’air se forment. Vous pouvez tourner délicatement l’axe métallique pour faire sortir les bulles d’air mais délicatement ! Lorsqu’il reste 10 min sur le chronomètre, placer votre prise d’essai sur le tamis supérieur de manière uniforme et laisser-le se réhumecter durant 10 min. A la fin des 10 min, ajouter de l’eau désionisée de telle sorte que les agrégats du tamis supérieur soient continuellement immergés dans l'eau lorsque la barre métallique est au niveau le plus bas. La machine commence automatiquement ses mouvements d’aller et retour durant 10 min. Lorsque la machine s’arrête, reprendre le tamis et récupérer les agrégats avec une pissette d'eau désionisée dans l’erlenmeyer taré de 250 ml. Sécher les tamis entre les échantillons pour éviter les bulles d’air. 25 Manuel de laboratoire_LSV 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. v1.1_07-2011 Sécher à 105°C à l'étuve. Peser la fraction Noter sa masse m, en g (w2). Ajouter 50 ml d’hexamétaphosphate de sodium dans l’erlenmeyer Agiter sur la table d’agitation durant 45 min. Replacer la fraction de sol dispersé sur son tamis. Rincer le tamis à l'eau désionisée en détruisant les agrégats restants avec un policier. Récupérer les particules primaires retenues par le tamis à l'aide d'une pissette d'eau désionisée dans l'erlenmeyer correspondant. Sécher à l’étuve à 105°C. Peser la fraction. Noter sa masse m, en g (w3). En parallèle, mesurer l’humidité résiduelle en (g/g) : voir chapitre teneur en eau et humidité résiduelle. La source d'erreur la plus importante provient de la préparation de l'échantillon. Qu'il soit sec ou frais, celui-ci doit être le moins perturbé possible. De plus, il est nécessaire de collecter au préalable un échantillon aussi représentatif que possible. 4) Récupération Pas de récupération particulière, vider les cristallisoirs à la poubelle. 5) Calculs Avec : w1 w2 w3 HR masse de la prise d’essai en g. masse de la fraction de sol en g après passage à l’étuve masse de particules primaires en g après passage à l’étuve humidité résiduelle en (g/g). Alors la proportion des agrégats stables à l’eau (%WAS) peut être calculée comme suit : %WAS 100 (w2 - w3) (( w1 /(1 HR)) w3) 26 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 LE DIAMETRE MOYEN DES AGREGATS (MWD) I. Principe Avec cette méthode, plus longue que la précédente, l’ensemble des fractions est considéré. Dans un premier temps, on sépare la prise d’essai par taille d’agrégats grâce à une colonne de tamis de maillages différents. On peut donc calculer la stabilité des agrégats pour chaque fraction et en déduire ensuite un indice unique comme par exemple le diamètre moyen des particules couramment utilisé. Pour la plupart des sols, une correction en fonction de la teneur en particules primaires doit être faite par dispersion des agrégats stable au moyen d’hexamétaphosphate de sodium. I. Méthode 1) Matériel Machine de stabilité structurale (Bourget and Kemper, 1957 ; Kemper and Rosenau, 1986) située dans le local borgne. Etuve à 105°C Table d’agitation Grand récipient de stabilité structurale (microcosme orange avec base) 2 pinces noires (porte-élastique) 2 gros élastiques Une colonne de quatre minis tamis de 2.0, 1.0, 0.5 et 0.250 mm. 4 Erlenmeyers de 250 ml tarés 1 Pissette d'eau désionisée 1 chronomètre 1 policier 2) Réactifs 200 ml d’hexamétaphosphate de sodium (0.5 %) par échantillon. 3) Mode opératoire a) Echantillon de départ Pour cette analyse, on utilise la fraction de sol < 8 mm séchée à l’air ou alors stockée fraîche directement au congélateur puis séchée à l’air. La prise d’essai est de 20 à 40 g . b) Blancs 27 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 Il n’est pas nécessaire de faire de blancs, mais il est prudent de calibrer la méthode au préalable avec du sol de référence dont la stabilité structurale est connue. c) Procédure 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. Peser une prise d’essai. Noter sa masse m, en g (w1). TRES IMPORTANT : Placer le sous pied en plastique gris et vérifier que le point le plus bas de la machine avec la colonne de tamis ne touche pas le sol !!! Placer et fixer les pincettes noires au dessus de la partie blanche de la machine. Fixer la colonne de tamis aux pincettes grâce aux deux élastiques. Ouvrir le robinet d’air comprimé et enclencher la machine de stabilité au niveau de la boîte de commande. Appuyer sur RESET lorsque la machine l’indique Vérifier qu’il n’y a pas d’eau dans le petit récipient à l’arrivée de l’air comprimé, auquel cas le vider. Vérifier que la pression est bien à 5 bars. S’assurer que le programme de la machine est bien sur « Cycle Va et Vient ». Préparer un chronomètre sur 15 min et enclencher-le tout en appuyant sur le bouton « START » de la machine. La machine va descendre et s’arrêter 15 min avant de commencer les allers-retours. Vous avez donc 5 min pour remplir le grand récipient avec de l’eau désionisée jusqu’à hauteur de maillage du tamis (la prise d’essai doit pouvoir être déposée et se réhumecter par capillarité).Pour cela utiliser un tuyau raccordé à l’évier et remplissez lentement le récipient à partir des tamis. Cette étape est délicate car il arrive que des bulles d’air se forment. Vous pouvez tourner délicatement l’axe métallique pour faire sortir les bulles d’air ! Lorsqu’il reste 10 min sur le chronomètre, placer votre prise d’essai sur le tamis supérieur de manière uniforme et laisser-le se réhumecter durant 10 min. A la fin des 10 min, ajouter de l’eau désionisée de telle sorte que les agrégats du tamis supérieur soient continuellement immergés dans l'eau lorsque la barre métallique est au niveau le plus bas. La machine commence automatiquement ses mouvements d’aller et retour durant 10 min. Lorsque la machine s’arrête, reprendre la colonne de tamis et récupérer les agrégats de chaque fraction avec une pissette d'eau désionisée dans un erlenmeyer différent noté et taré de 250 ml. Sécher à105°C à l'étuve. Peser chaque fraction. Noter leur masse m, en g (w2). Ajouter 50 ml d’hexamétaphosphate de sodium dans chaque erlenmeyer Agiter sur la table d’agitation durant 45 min. Replacer chaque fraction de sol dispersé sur son tamis spécifique. Rincer le tamis à l'eau désionisée en détruisant les agrégats restants avec un policier. Récupérer les particules primaires retenues par le tamis à l'aide d'une pissette d'eau désionisée dans l'erlenmeyer correspondant. Sécher à l’étuve à 105°C. Peser la fraction. Noter sa masse m, en g (w3). En parallèle, mesurer l’humidité résiduelle en (g/g) : voir chapitre teneur en eau et humidité résiduelle. La source d'erreur la plus importante provient de la préparation de l'échantillon. Qu'il soit sec ou frais, celui-ci doit être le moins perturbé possible. De plus, il est nécessaire de collecter au préalable un échantillon aussi représentatif que possible. 28 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 4) Récupération Pas de récupération particulière, vider les cristallisoirs dans la poubelle. 5) Calculs Avec : w1 i masse de la prise d’essai en g. w2 i masse de la fraction de sol en g après passage à l’étuve. w3 i masse de particules primaires en g après passage à l’étuve. HR humidité résiduelle en (g/g). Alors la proportion de stabilité des agrégats de chaque fraction (WSAi) peut être calculée comme suit : WSA i (w2 i - w3i ) n (( w1 /(1 HR)) i1 w3i ) Où i = 1, 2, 3, …, n correspond à chaque fraction de taille. A partir de cette équation, on peut calculer le diamètre moyen des agrégats (MWD): n MWD i1 x i WSAi Où xi correspond au diamètre moyen de chaque fraction (par exemple 1.5 mm entre le tamis de 2 mm et de 1 mm). 6) Interprétation des résultats Le MWD est souvent le meilleur moyen de faire facilement des comparaisons entre sols mais il peut être intéressant de comparer certaines fractions pour des interprétations spécifiques (tableau 18.3). Par exemple, la limite de 250 m est souvent considérée comme la limite entre les micro- et les macroagrégats, ayant des propriétés différentes (Tisdall & Oades, 1982). Tableau 18.3 : tiré de Le Bissonnais 1996 et Le Bissonnais et Le Souder 1995 Classe MWD Stabilité 1 < 0.4 mm Très instable 2 3 4 5 Battance (Crustability) Systématique Ruissellement et érosion diffuse Risque important et permanent en toutes conditions topographiques. 0.4 à 0.8 mm Instable Fréquente Risque fréquent en toute situation. 0.8 à 1.3 mm Moyennement Occasionnelle, Risque variable en fonction des stable modérée paramètres climatiques et topographiques 1.3 à 2.0 mm Stable Rare Risque limité > 2.0 mm Très stable Très rare voire Risque très faible inexistante 29 Manuel de laboratoire_LSV v1.1_07-2011 REFERENCES Le Bissonnais Y., 1990, Experimental study and modelling of soil surface crusting processes. In: Catena Supplement 17: soil Erosion- Experminents and models. R.B. Bryan (Ed), 13-28 Emerson W.W., 1962. The swelling of Ca-Montmorillonite due to water uptake in the liquid phase. J. Soil Sci. 13,40. Henin S., 1938. Etude physico-chimique de la stabilité structurale des terres. 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