Démarche mise en place pour simuler la lixiviation semi-dynamique des échantillons broyés à l’aide de Sumo échantillons broyés à l’aide de Sumo

3.1.1. Création de la base de données cimentaires pour le logiciel Sumo

Le logiciel Sumo est initialement prévu pour la simulation de station de traitement des eaux et des stations d’épuration. Afin de construire un modèle adapté aux objectifs et à la complexité du système, la première étape de cette démarche est de créer une base de données cimentaires pour le logiciel. Elle va permettre ainsi d’adapter le logiciel aux matériaux à modéliser.

La base de données cimentaires de Sumo est tirée de la base de données thermodynamique utilisée pour le logiciel PhreeqC et des résultats de modélisation obtenus. En effet, les premières modélisations réalisées avec PhreeqC ont permis de déterminer les phases potentiellement formées au cours de la lixiviation et d’affiner le nombre de phases choisies pour Sumo. Ainsi, seules les phases minérales nécessaires à la modélisation ont été utilisées dans la base de donnée de Sumo, à savoir : la portlandite, l’ettringite, deux C-S-H (C1.1SH3.2, C1.8SH4.6), l’hydrotalcite, le monocarboaluminate de calcium (noté AFmc), la strätlingite, la calcite, l’Al(OH)3 amorphe, le gel de silice (SiO2 amorphe), deux M-S-H (M3S2H5, M3S4H5) et le laitier. Les produits de solubilités utilisés pour PhreeqC sont repris dans cette base. Contrairement à la base de données utilisée pour PhreeqC, la forme amorphe de l’Al(OH)3 a été privilégiée par rapport à la gibbsite car elle permet de faire une simulation plus précise, notamment avec la prise en compte des constantes cinétiques de l’Al(OH)3, de l’aluminium lixivié. Les premières simulations de l’essai de lixiviation, réalisées avec Sumo, ont montré une meilleure corrélation entre les concentrations en aluminium lixiviées et modélisées lorsque l’Al(OH)3 amorphe est pris en compte.

171 On a ainsi dans PhreeqC, la gibbsite avec log(K) = 7,15 et dans Sumo, Al(OH)3 amorphe avec log(K) = 8,12.

Chaque phase est définie selon sa réaction chimique, son produit de solubilité et par des variables d’états qui lui sont associées telles que la quantité de matière (définie par la masse d’échantillon introduite et par la composition de la pâte CEM III choisie) et les constantes cinétiques de précipitation et de dissolution. Ces deux dernières variables sont, par défaut, fixées par le logiciel. Les essais expérimentaux de lixiviation sur échantillons broyés vont permettre de recaler ces paramètres afin d’optimiser la lixiviation des phases simulées. Ces données n’étant pas disponibles pour le laitier, il a été introduit de manière différente des autres phases cimentaires. La méthode choisie sera détaillée en paragraphe 3.2.

De plus, afin de compléter la base de données de Sumo, les formes ioniques des espèces ont été ajoutées, afin de tendre vers une meilleure description des espèces dans les lixiviats modélisés. Par exemple, pour l’aluminium les formes ioniques considérées sont : Al3+, Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al(OH)3, Al(OH)4-.

Une fois la base de données complétée, une étape de validation a été réalisée afin de vérifier la concordance des bases de données entre PhreeqC et Sumo. Pour cela, la dissolution d’une phase pure cimentaire dans de l’eau ultra pure est réalisée, à la fois avec PhreeqC et Sumo. Les concentrations obtenues et les quantités de phase pure restantes sont ensuite comparées et la phase peut être alors validée si les résultats concordent.

3.1.2. Mise en place de l’essai de lixiviation semi-dynamique avec le logiciel Sumo

Le logiciel Sumo permet de schématiser et de visualiser les essais à modéliser. Chaque élément de l’essai de lixiviation doit être retranscrit dans Sumo en utilisant les procédés dont dispose le logiciel. Ces essais sont effectués sur pâte de CEM III broyée à 30 °C pendant 1 mois.

La Figure 76 présente l’essai de lixiviation semi-dynamique réalisé sous Sumo. Les différents composants du test réalisé en laboratoire sont présents :

1. Maintien du pH : Ce procédé permet de contrôler le pH à la valeur consigne qui est ici de 7. Il

est l’équivalent du pH-mètre dans le test expérimental.

2. Ajout d’HNO3 : Dès que la valeur de consigne du pH est supérieure à 7, un volume d’HNO3 est

ajouté afin de réguler le pH. La vitesse d’ajout peut être modifiée de manière à reproduire au mieux la vitesse d’ajout des titreurs utilisés expérimentalement. Il est relié au procédé de maintien du pH.

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3. Simulation d’un réacteur à volume variable : ces procédés simulent le réacteur contenant le

matériau cimentaire broyé.

4. Réalisation des renouvellements : lors de cette étape, un volume de solution de lixiviation est

injecté dans le réacteur ce qui permet de renouveler la phase liquide du réacteur. Les renouvellements sont effectués en fonction du temps, comme cela a été fait lors des essais en laboratoire. Les échéances de renouvellement choisies sont basées sur les renouvellements expérimentaux.

5. Filtration des lixiviats : ce procédé s’effectue en parallèle de l’étape précédente. Lorsque la

« nouvelle » solution de lixiviation arrive au niveau du réacteur, le lixiviat en est évacué. Cette étape permet alors de récupérer, d’un côté, la poudre lixiviée et de la réinjecter dans le réacteur et, de l’autre, de récupérer le lixiviat.

Figure 76 : Essai de lixiviation semi-dynamique schématisé selon les procédés du logiciel Sumo

Dans cette partie, les essais de lixiviation broyés du chapitre III sont simulés. Ainsi, lors de ces simulations, 5 g de la pâte de CEM III modélisée et 5 g de laitier ont été lixiviés dans un litre d’eau ultra pure pendant un mois à 30 °C.

Une fois la base de données créée puis validée et l’essai de lixiviation semi-dynamique implanté dans Sumo, les constantes cinétiques des réactions de précipitation et de dissolution de chaque hydrate sont ajustées de manière à obtenir des courbes de concentrations lixiviées simulées proches des courbes obtenues expérimentalement. Précisons que, en raison de la complexité chimique du sytème modélisé, un grand nombre de constantes cinétiques doivent être identifiées, tandis que les sorties du modèles, à comparer aux résultats expérimentaux, sont, en proportion, peu nombreuses, de sorte que

173 plusieurs jeux de valeurs pour les constantes cinétiques des réactions permettent une approximation satisfaisante des courbes expérimentales. Un recalage global des constantes a été réalisé, en minimisant l’écart par rapport aux valeurs initiales par défaut pour ce type de réactions de dissolution/précipitation. Le Tableau 40 donne un exemple des constantes cinétiques de réaction ajustées au fur et à mesure des essais simulés. L’ensemble des valeurs est disponible en Annexe 7, Tableau 7.2. Les cinétiques de dissolution des hydrates suivent l’odre de lixiviation des phases observées dans ce chapitre et dans la littérature [64], [96], [106]. Ainsi la portlandite présente une constante cinétique plus importante que celle de l’AFmc, elle-même plus élevée que celle de l’ettringite. Pour les C-S-H, la constante cinétique du rapport C/S, égale à 1,8, est plus élevée que celle des C-S-H de rapport 1,1. Ces constantes ont ensuite été ajustées de manière à ce que la courbe modélisée du calcium corresponde à la courbe expérimentale. La constante de l’hydrotalcite a été affinée en se basant sur la courbe du magnésium. Ces hydrates (AFmc, ettringite, hydrotalcite) contiennent également de l’aluminium, la courbe expérimentale de cet élément a également été prise en compte pour caler ces constantes cinétiques. L’ajustement de la constante de l’Al(OH)3 est également réalisé. De la même manière, les constantes cinétiques des C-S-H et du gel de silice ont été calées au mieux sur celle du silicium. Par défaut dans le logiciel Sumo, la constante de précipitation est dix fois plus grande que la constante de dissolution. Ce choix est fait pour tenir compte du fait que la dissolution est un processus limité par la surface de contact et est plus lent. Ce rapport a été conservé pour les phases minérales.

Tableau 40 : Constantes cinétiques de précipitation de dissolution associées à la calcite, l’ettringite et la portlandite

Symbole Nom Valeur Unité

qCaCO3,PREC Rate of CaCO3 precipitation 25 g.m-3.d-1

qCaCO3,DISS Rate of CaCO3 dissolution 2,5 g.m-3.d-1

qAFt,PREC Rate of qAFt,PREC 2000 g.m-3.d-1

qAFt,DISS Rate of qAFt,DISS 200 g.m-3.d-1

qCH,PREC Rate of qCH,PREC 200000 g.m-3.d-1

qCH,DISS Rate of qCH,DISS 20000 g.m-3.d-1