Propriétés mécaniques et caractéristiques microscopiques des sols salins solidifiés par LBM-GGBS dans les zones à gel saisonnier

Pourquoi le sol gelé et salé importe

Dans les régions arides du monde, de vastes étendues de terres contiennent des sols salins qui se dilatent, se fissurent et s’affaissent lorsqu’ils gèlent en hiver puis dégèlent au printemps. Dans des zones comme le nord‑ouest de la Chine, routes et voies ferrées traversent ces terrains instables, entraînant bosses, refoulement de boue et réparations coûteuses. Les ingénieurs renforcent habituellement les sols avec du ciment ordinaire, mais sa production est énergivore et il peut mal résister en présence de fortes salinités. Cette étude examine une alternative plus propre, un liant fabriqué à partir de sous‑produits industriels, pour vérifier s’il peut maintenir la résistance et la sécurité des sols salins au fil de nombreux cycles gel–dégel.

Une nouvelle façon de consolider les sols salins

Les chercheurs se sont concentrés sur un mélange de deux poudres : laitier de haut fourneau granulé moulu, un sous‑produit de la sidérurgie, et magnésie calcinée légère, une forme réactive d’oxyde de magnésium. Mélangés à de l’eau et au sol, ces matériaux peuvent durcir autour des grains, à la manière d’un ciment à faible empreinte carbone. L’équipe a prélevé un sol salin riche en chlorures dans une zone à gel saisonnier de la province du Shaanxi, en Chine, puis a incorporé différentes quantités et ratios du liant laitier–magnésie. Ils ont moulé les mélanges en petits cylindres, les ont curés pendant quatre semaines, puis les ont soumis à des cycles répétés de gel à environ moins 20 degrés Celsius et de dégel à température ambiante pour reproduire plusieurs hivers.

Quelle résistance et quel resserrement le sol a conservés

Après 0, 2, 4, 6, 8 et 10 cycles gel–dégel, l’équipe a mesuré la force de compression nécessaire pour rompre les échantillons, la perméabilité à l’eau et la quantité de chlorure lessivée. Comme prévu, tous les échantillons ont perdu un peu de résistance pendant les deux premiers cycles, lorsque la croissance de la glace et les mouvements de sel endommagent la structure interne. Mais les spécimens contenant une teneur en liant plus élevée, en particulier ceux avec 12 % de liant et un rapport laitier–magnésie de 7 pour 1, sont restés remarquablement résistants. Ce mélange optimal a conservé une résistance d’environ 3 mégapascals après dix cycles — soit quatre fois la exigence pour la couche de base supérieure d’une route. L’écoulement d’eau à travers le sol traité est resté faible et a peu varié avec les cycles, surtout pour les mélanges les plus riches, ce qui indique que le réseau durci est resté relativement dense et résistant aux fissures.

Ce qui se passe à l’échelle microscopique

Pour comprendre pourquoi le sol traité a si bien résisté au gel, les chercheurs ont examiné sa structure interne au microscope électronique et ont mesuré la distribution des pores. Ils ont constaté que le laitier et la magnésie ont réagi avec l’eau et les ions dissous du sol pour former plusieurs nouveaux gels et cristaux minéraux qui lient les grains entre eux. Il s’agit notamment de couches denses en réseau qui enrobent les particules du sol et comblent les microfissures, ainsi que de cristaux en aiguilles et en plaquettes qui font office de ponts entre les vides. Au fil des cycles gel–dégel, certains petits pores ont fusionné pour former des pores légèrement plus grands, mais le volume poreux global n’a changé que de façon modeste. Le cadre durci est resté pour l’essentiel intact, limitant la croissance de lentilles de glace dommageables et empêchant l’effritement du sol.

Piéger le sel plutôt que le laisser migrer

Le sol salin contenait initialement un taux élevé de chlorures facilement solubles et mobiles avec l’eau, aggravant les dommages dus au gel et menaçant les ouvrages ou les nappes phréatiques voisins. Après traitement avec le liant laitier–magnésie et cure, la quantité de chlorure lessivée a diminué d’environ 43 %. Des analyses microscopiques et chimiques ont montré qu’une grande partie des chlorures s’était retrouvée piégée dans des cristaux nouvellement formés contenant également du calcium, de l’aluminium et des sulfates. Ces minéraux sont restés stables même après de nombreux cycles gel–dégel, de sorte que les cycles supplémentaires n’ont pas libéré de chlorures supplémentaires. En pratique, le liant à la fois a renforcé le sol et capturé une grande partie de son sel le plus problématique.

Ce que cela signifie pour la construction en régions froides

Pour un public non spécialiste, le message est simple : en recyclant le laitier de la sidérurgie et en utilisant une poudre de magnésie réactive, les ingénieurs peuvent transformer des terrains salins problématiques en un matériau de fondation plus résistant, moins perméable et plus respectueux de l’environnement, même dans les zones soumises à des cycles de gel–dégel. Le bon dosage — environ 12 % de ce liant avec plus de laitier que de magnésie — a maintenu le sol bien au‑delà des normes pour la construction routière, limité le mouvement de l’eau et piégé près des trois quarts des chlorures. Cette approche pourrait faciliter des constructions plus sûres dans les régions froides et arides tout en réduisant la dépendance au ciment conventionnel et en valorisant des déchets industriels.

Citation: Chen, S., Ren, P., Wang, J. et al. Mechanical properties and microscopic features of LBM-GGBS solidified saline soil in seasonally frozen areas. Sci Rep 16, 10928 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46145-1

Mots-clés: sol salin, durabilité gel–dégel, amélioration des sols, liant issu de sous-produits industriels, stabilisation au chlorure