Effets synergiques de la laitance de haut fourneau broyée et de la nano‑silice sur la consolidation, la compressibilité et le comportement microstructural d’une argile à haute plasticité

Pourquoi il est important de maîtriser les sols problématiques

De nombreuses routes, constructions et canalisations sont établies sur des sols argileux qui gonflent quand ils sont humides et se rétractent quand ils sèchent. Ces mouvements peuvent fissurer les chaussées, incliner les fondations et augmenter les coûts d’entretien. Cette étude explore une voie plus propre pour calmer ces argiles « capricieuses » en les mélangeant à un sous‑produit industriel de la sidérurgie et à des particules ultra‑fines de silice. L’objectif est de réduire l’affaissement et le gonflement des argiles problématiques et d’améliorer leur capacité à soutenir des structures, tout en réutilisant des déchets au lieu de recourir uniquement à des ciments traditionnels à forte empreinte carbone.

Transformer un déchet sidérurgique et une nanopoudre en aides pour le sol

Les chercheurs se sont concentrés sur une argile très plastique préparée en laboratoire pour reproduire le comportement des argiles naturelles fortement expansives. Ils ont combiné deux additifs : la laitance de haut fourneau broyée, une poudre vitreuse résiduelle de la production de fer et d’acier, et la nano‑silice, une silice fumée dont les particules mesurent quelques dizaines de nanomètres. La laitance apporte du calcium et de l’aluminium susceptibles de réagir avec l’eau pour former des gels de type cimentaire, tandis que la nano‑silice, grâce à sa très grande surface spécifique, peut s’insérer dans les vides les plus fins et accélérer ces réactions. En modulant les proportions de chaque matériau, l’équipe a testé si l’association des deux surpassait l’effet de la laitance seule.

Comment les nouveaux mélanges de sols ont été testés

Des mélanges argile–laitance–nano‑silice ont été préparés avec des teneurs en laitance allant de 10 % à 40 % du poids sec du sol et des teneurs en nano‑silice de 0 %, 1 % ou 1,5 %. L’équipe a d’abord mesuré des caractéristiques de base comme la teneur en eau aux limites d’Atterberg et la densité sèche maximale obtenue par compactage — des informations essentielles pour la pratique de construction. Ensuite, des essais de consolidation standard ont comprimé les échantillons sous différentes charges, suivant la vitesse d’écoulement de l’eau, l’amincissement de la couche de sol et la récupération partielle après desserrement de la charge. Des essais séparés ont mesuré le gonflement sous légère sujétion d’eau. Enfin, des images à fort grossissement et des analyses par rayons X ont permis d’observer les changements microstructuraux et l’apparition de nouveaux produits de réaction.

Faire en sorte que l’argile se tasse moins et se raffermisse

L’argile non traitée se comportait comme un sol problématique classique : très molle, facilement comprimable et sujette à de forts tassements à long terme. L’ajout de laitance seul a progressivement réduit l’affaissement sous charge et la reprise d’expansion au déchargement, tout en accélérant l’évacuation de l’eau excédentaire. Lorsque la nano‑silice a été ajoutée en complément de la laitance, les améliorations se sont renforcées : le mélange le plus efficace — environ 40 % de laitance avec 1 % de nano‑silice — a réduit la principale mesure de compressibilité à environ un tiers de sa valeur initiale et a considérablement augmenté la rigidité. Le sol s’est consolidé plus rapidement et a montré moins de « fluage » dépendant du temps après le tassement initial. Porter la nano‑silice à 1,5 % n’a pas apporté d’amélioration supplémentaire et a parfois légèrement dégradé le comportement, ce qui suggère qu’un excès de particules ultra‑fines peut provoquer des agrégations, exiger plus d’eau et gêner un compactage efficace.

Limiter les gonflements néfastes

Pour les ouvrages sur argiles expansives, le gonflement est souvent aussi dangereux que le tassement. Dans cette étude, l’argile non traitée présentait un indice d’expansion très élevé, révélateur d’un fort potentiel de soulèvement en présence d’eau. L’ajout de laitance a fortement réduit cet indice, et la combinaison laitance + nano‑silice l’a réduit encore davantage — d’environ deux‑tiers par rapport aux mélanges à base de laitance seule dans les meilleurs cas. Les auteurs attribuent cette amélioration aux modifications chimiques de la surface des particules argileuses et à la formation de produits gélifiants qui rapprochent les particules et comblent les vides entre elles. À mesure que la structure du sol devient plus dense et mieux liée, il reste moins d’espace pour que l’eau sépare les feuillets et provoque un gonflement vertical.

Ce qui se passe à l’intérieur du sol

Les images microscopiques de l’argile d’origine montraient un agencement lâche et poreux de particules en forme de feuillets. Après traitement par la laitance, et surtout après ajout de nano‑silice, ces espaces ouverts se sont remplis d’une matrice plus continue, de type colle, riche en calcium, silicium et aluminium. Les diffractogrammes aux rayons X ont confirmé une évolution vers des matériaux plus amorphes et faiblement cristallins — caractéristiques de gels de type cimentaire plutôt que de grains minéraux distincts. Ces changements internes expliquent les résultats expérimentaux : un squelette plus dense et plus interconnecté résiste mieux aux variations de volume, supporte les charges plus efficacement et permet un drainage de l’eau excédentaire de manière plus contrôlée.

Une conclusion pratique pour le terrain

Pour le grand public, le message clé est qu’un mélange bien conçu de laitance sidérurgique et de nano‑silice peut transformer une argile très instable en un matériau de fondation beaucoup plus fiable. Le sol traité tasse moins, gonfle moins en présence d’eau et se durcit sous les charges quotidiennes, tout en valorisant des sous‑produits industriels. Bien que le « point optimal » de nano‑silice varie selon le site, cette étude montre que des doses modestes — de l’ordre de 1 % en poids du sol — peuvent révéler une synergie utile avec la laitance. À terme, de tels systèmes à double liant pourraient aider les ingénieurs à construire des routes et des fondations plus sûres sur des argiles difficiles sans dépendre autant des ciments conventionnels à forte intensité carbone.

Citation: Uysal, F., Yılmaz, V. Synergistic effects of ground granulated blast furnace slag and nano-silica on the consolidation, compressibility and microstructural behavior of high plasticity clay. Sci Rep 16, 6548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37652-2

Mots-clés: stabilisation des sols, argile expansive, laitance de haut fourneau, nano‑silice, amélioration des sols