Essais de perméabilité

Résidus miniers

Deux principaux types d’essai peuvent être réalisés au laboratoire afin de déterminer la conductivité hydraulique saturée (ksat) des matériaux : les essais au perméamètre à parois rigides

(ASTM D2434) et les essais au perméamètre à parois flexibles (en cellule triaxiale) suivant la norme ASTM D5084-03. Dans le cadre de ces travaux, la conductivité hydraulique saturée des résidus a été réalisée à l’aide de deux méthodes.

Les étapes de réalisation de l’essai en cellule triaxiale sont résumées en Annexe 3 et le principe et la description de cet essai peuvent aussi être trouvés dans la norme ASTM D 5084. Pour cet essai, nous avons utilisé de l’eau désaérée, car l’utilisation d’une eau non désaérée peut mener à des degrés de saturation inférieure à 90 % (ce qui peut entraîner une erreur de 20 à 30 % sur les mesures de ksat) (Green and Corey, 1971). Les valeurs mesurées de la conductivité hydraulique

saturée sont comparées aux valeurs prédites au moyen du modèle de Kozeny Carman modifie (KCM; Éq. 2.32) (Mbonimpa et al., 2002b).

Stériles miniers

Pour les stériles, des essais en colonne ont été réalisés afin d’estimer la conductivité hydraulique saturée (ksat). Pour notre étude, après préparation (humidification et homogénéisation) de

l’échantillon suivant les tranches granulométrique désirées, des colonnes en PEHD (PolyEthylene Haute Densité) de 80 cm de hauteur et de 30 cm de diamètre ont été utilisées pour évaluer ksat.

Les piézomètres et connecteurs de capteurs de pression sont installés à 20, 40 et 60 cm en partant de la base de la colonne (voir Figures 3.2 et 3.3). La norme ASTM D2434 est utilisée pour réaliser les essais à charge constante. Comme la plus grosse particule utilisée est de 50 mm, le diamètre des colonnes est de 30 cm pour être en accord avec la norme régissant les essais de perméabilité. En effet, l’ASTM D5856 recommande que la taille maximale des grains dans le spécimen doit être égale ou plus petite que 1/6 du diamètre de la colonne, afin d’éviter la ségrégation du matériel et réduire la formation des chemins préférentiels. Des détails à ce sujet peuvent être trouvés dans Hernandez (2007) et Peregoedova (2012).

Figure 3-3: Déroulement des essais de perméabilité en colonne

Le montage et le démontage des colonnes sont inspirés des travaux réalisés par Hernandez (2007) et Peregoedova (2012). Lors du montage de la colonne (Figure 3.2), les matériaux sont compactés de façon identique afin d’avoir des indices des vide (ou porosité) désirés et semblables pour toutes les couches et tous les essais. Après le remplissage de la colonne, on procède à la saturation avec de l’eau. Pendant la saturation, on met la colonne sous succion (sous vide) comme décrit dans la procédure d’essais de drainage de Chapuis et al. (2007). La saturation se fait du bas vers le haut à faible gradient. Le degré de saturation dans la colonne est calculé selon la procédure décrite par Chapuis et al. (2007). Une fois le degré de saturation voulu atteint (> 95 %) et les piézomètres installés, les essais de perméabilité peuvent démarrer. Le protocole détaillé est expliqué dans Chapuis et al. (1989, 2007) et Peregoedova, (2012).

Au total, entre 5 et 10 essais de perméabilité à charge constante ont été réalisés sur les trois tranches granulométriques testées. Pour chaque essai, la valeur de ksat a été calculée après que les

charges hydrauliques soient stabilisées dans les piézomètres à partir de l’équation : ksat (cm/s) =

Q.L

A (he−hs) (3.4) où :

Q est le débit d’eau [L3T] ;

A est la surface de la section de la colonne, prise perpendiculairement à l’écoulement [L2]; he est la charge amont donnée par la cellule de Mariotte [L]; et

hs est la charge aval donnée par l’élévation de l’eau dans le tuyau de sortie [L].

Celle-ci est nulle si le niveau de sortie d’eau correspond au niveau de référence.

La conductivité hydraulique saturée dans le matériau testé a aussi été déterminée à partir des mesures de la charge hydraulique (à l’aide de piézomètres) à différentes élévations directement à l’intérieur de l’échantillon. Le calcul de ksat se fait alors comme suit (McCarthy, 2007;

Peregoedova, 2012):

ksat [LT-1] =

Q.L1−2

A (h1−h2 ) (3.5) où :

L1-2 est la distance entre la prise des deux piézomètres [L]; et

h1 et h2 sont les charges mesurées aux deux points à l’aide de deux piézomètres [L].

À partir de trois piézomètres installés sur le long des colonnes expérimentales, on avait la possibilité de comparer les valeurs de ksat obtenues par l’une ou l’autre méthode et de détecter s’il

y avait des conditions d’écoulements différentes entre chaque paire de piézomètres. Les détails des résultats obtenus sont présentés à la section 3.2 et à l’Annexe 4.

Il importe de souligner aussi que le temps d’attente avant la prise des mesures pour calculer le ksat

(après stabilisation des charges hydrauliques dans les piézomètres) correspondait dans presque tous les cas étudiés au moment où il n’y avait presque plus de particules fines en suspension dans l’eau à la sortie de la colonne. Pour des essais réalisés sur le même matériau, la masse des éléments en suspension dans l’eau à la sortie de la colonne a été estimée à 50 g pour une couche des stériles de 30 cm de hauteur; la masse totale dans la colonne est d’environ 45 kg des matériaux (Rey, 2013).

Pour chaque essai, la valeur de ksat obtenue à la température ambiante a été corrigée pour obtenir

la valeur normalisée à 20 degrés Celsius selon l’équation ci-après : ksat (20 °C) =

𝑘𝑠𝑎𝑡 (T) X μT

μ20 °C (3.6)

ksat (20 °C) est la conductivité hydraulique saturée à 20 °C [LT-1];

ksat (T) est la conductivité hydraulique saturée à la température du test [LT-1];

µT est la viscosité de l’eau à la température du test [Pa·s]; et

µ20 °C est la viscosité de l’eau à 20 °C (=10-3 Pa·s).

Pour valider les résultats, on a aussi réalisé des essais de perméabilité dans de petits perméamètres (Figure 3.4) à charge constante selon la norme de l’ASTM D 5856 (2007b), avec un des échantillons de stériles (seulement la tranche 0-20 mm) testés dans les grandes colonnes. Les résultats sont également présentés à la section 3.2.

Figure 3-4 : Essai de perméabilité dans le perméamètre pour les stériles

La conductivité hydraulique saturée (ksat) propre à chaque tranche granulométrique étudiée a été

comparée au ksat obtenu par des méthodes prédictives de Shepherd (1989), Taylor (1948) et

Budhu (2011) proposées par Peregoedova (2012) (voir équations 2.33 et 2.34). Les résultats obtenus avec les différents montages expérimentaux et les méthodes prédictives sont présentés à la section 3.2.