Évaluation de l’influence de l’utilisation de nanoparticules de dioxyde de titane sur le comportement microstructural et les propriétés géotechniques des sols argileux

Pourquoi un sol plus résistant est important

Les bâtiments, les routes et les remblais reposent tous sur le sol qui les soutient pour rester sûrs et stables. Dans de nombreuses régions, en particulier là où l’argile est répandue, le terrain peut être meuble, faible et facilement déformable, contraignant les ingénieurs à recourir à plus de béton, à des fondations plus profondes ou à des traitements du sol coûteux. Cette étude examine si l’ajout de particules extrêmement fines de dioxyde de titane — mesurées en milliardièmes de mètre — peut aider le ciment ordinaire à mieux consolider les sols argileux, rendant le sol plus solide et plus résilient sans modifier radicalement les pratiques de construction actuelles.

De petites aides dans le sol

Les chercheurs se sont concentrés sur une argile naturelle du nord de l’Iran, un sol de construction « courant » qui n’est ni extrêmement faible ni particulièrement résistant. Ils ont mélangé cette argile avec de faibles quantités de ciment Portland ordinaire, déjà largement utilisé pour stabiliser les sols meubles, puis ont incorporé du dioxyde de titane en nanoparticules à des dosages très faibles. Ces nanoparticules sont si petites qu’elles peuvent occuper les plus minuscules interstices entre les grains d’argile. En faisant varier soigneusement la teneur en ciment et en nanoparticules, l’équipe a pu déterminer quand ces particules apportaient un bénéfice et quand elles n’en apportaient pas. Cette approche reflète les décisions du monde réel, où les ingénieurs doivent équilibrer l’amélioration de la résistance avec le coût et la praticité.

Comportement du sol en laboratoire

Pour comprendre comment le sol traité réagirait sur le terrain, l’équipe a réalisé une série de tests géotechniques classiques. Ils ont d’abord mesuré la quantité d’eau que le sol peut contenir tout en conservant un comportement plastique et façonnable. L’ajout de dioxyde de titane nanoparticulaire a fait augmenter les limites liquide et plastique, ce qui signifie que l’argile pouvait absorber davantage d’eau sans se transformer en boue ni s’effriter. Ensuite, des essais de compression non confinée ont été effectués, consistant à presser des échantillons cylindriques de sol jusqu’à rupture, ainsi que des essais de cisaillement direct, qui font glisser des blocs de sol les uns par rapport aux autres pour simuler une rupture le long d’une surface. Dans ces essais, la présence de nanoparticules a systématiquement renforcé la résistance lorsque suffisamment de ciment était présent, et a accru la résistance au glissement du sol sans modifier de façon notable la «collabilité» ou la cohésion entre les grains.

Ce qui se passe à l’intérieur du sol

Les observations les plus révélatrices proviennent de l’examen direct de la structure interne du sol par microscopie électronique. L’argile non traitée mélangée au ciment présentait une texture relativement lâche, avec des pores visibles et des contacts interrompus entre les particules. Lorsqu’une quantité modeste de nanoparticules de dioxyde de titane a été ajoutée, ces images ont changé : les pores entre les grains d’argile et de ciment sont devenus plus petits et moins connectés, et les particules semblaient plus densément compactées. Cela indique que les nanoparticules agissent comme un remplissage ultra-fin, s’insérant dans des espaces que la pâte de ciment seule n’occupe pas complètement. Elles offrent également des surfaces supplémentaires où des cristaux de ciment peuvent commencer à se former, accélérant et étendant légèrement le processus de durcissement sans introduire de nouvelles réactions chimiques propres.

Trouver le juste équilibre

Les expériences ont aussi montré que plus n’est pas toujours mieux. À faibles teneurs en ciment, l’ajout d’un trop grand nombre de nanoparticules n’augmentait que peu la résistance et pouvait même provoquer de légères diminutions, probablement parce que les particules minuscules s’aggloméraient plutôt que de se disperser uniformément. À des niveaux de ciment plus élevés, toutefois, la résistance continuait d’augmenter avec l’accroissement du dioxyde de titane nanoparticulaire, jusqu’à la dose maximale testée. Sur des jours et des semaines de cure, les sols traités ont continué à gagner en résistance, ce qui suggère que le meilleur emboîtement des grains et les sites supplémentaires de nucléation pour le ciment continuent d’affiner la microstructure au fil du temps. En pratique, cela signifie que la dose optimale de nanoparticules dépend de la quantité de ciment disponible et de la durée de cure prévue.

Ce que cela signifie pour la construction réelle

En termes simples, l’étude conclut que le dioxyde de titane nanoparticulaire se comporte comme un ingrédient passif et intelligent qui aide les sols argileux traités au ciment à devenir plus denses et plus résistants à la déformation, notamment en ce qui concerne leur capacité portante et leur résistance au glissement, plutôt que de les transformer chimiquement. Il ne remplace pas le ciment et ne crée pas un nouveau matériau, mais il permet au ciment de fonctionner plus efficacement lorsqu’il est utilisé en quantités appropriées. Pour les ingénieurs, cela ouvre la voie à une amélioration des sols plus fine et optimisée, en utilisant de très petites particules pour ajuster la résistance et la stabilité tout en réduisant potentiellement le recours à des mesures plus lourdes.

Citation: Choobbasti, A.J., Kutanaei, S.S., Vafaei, A. et al. Assessing the influence of using nano titanium dioxide on the microstructure behavior and geotechnical properties of clayey soil. Sci Rep 16, 10002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37167-w

Mots-clés: stabilisation des sols, nanoparticules, sol argileux, sol traité au ciment, génie géotechnique