Facteurs externes ayant une influence à long terme

2.5.3.1 Cycles de gel et dégel

Lors du gel de pâtes et de gels de bentonite et de montmorillonite, des changements de structure commencent à apparaître lors de la formation de cristaux de glace. L’eau contenue entre les feuillets d’argile a alors tendance à migrer vers ces cristaux qui grossissent (Anderson & Hoekstra, 1965; Norrish & Rausell-Colom, 1962; Svensson & Hansen, 2010). Il en résulte une diminution de l’eau

adsorbée sur les feuillets d’argile et une structure alvéolée, telles que représentées à la figure 2-22 (Norrish & Rausell-Colom, 1962). Lors du dégel, la structure initiale de l’argile est restaurée. Anderson et Hoekstra (1965) ont étudiés la variation de l’espacement basal des feuillets (d001) lors du gel et dégel de gels et de pâtes de bentonite homoionique (Li, K, Na ou Ca) préparés avec de l’eau déionisée, à l’aide d’un diffractomètre à rayon X (radiation K du cuivre). La contraction des feuillets dus à la nucléation de la glace a été observé à des températures d’environ -5°C (Anderson & Hoekstra, 1965). Lors du dégel, l’espacement des feuillets était restauré à partir d’une température d’environ 0°C (Anderson & Hoekstra, 1965). La variation de l’espacement basal des feuillets de bentonite sodique en fonction de la température obtenu au DRX par Anderson et Hoekstra (1965) est illustré à la figure 2-23. Il est à noter que dans cette étude, la variation de l’espacement basal de la pâte de bentonite calcique était d’environ 3A, comparativement à une variation de près de 20A pour la pâte de bentonite sodique.

Figure 2-22 : Représentation schématique des changements structuraux dans l’argile dus à la migration de l’eau pendant le gel (N : noyau de glace) : a) avant le gel; b) après le gel (Norrish &

Rausell-Colom, 1962)

Des essais réalisés en laboratoire et sur le terrain ont indiqué que l’exposition à des cycles de gel- dégel d’un GCB hydraté avec de l’eau très faiblement chargée en cations n’a pas d’effet sur sa ksat

(Kraus et al., 1997; Podgorney & Bennett, 2006). En fait, une légère diminution de ksat a même été

observée après un premier cycle de gel-dégel. Le maintien d’une faible ksat a été expliquée par la

fermeture des fissures créées par le gel grâce au gonflement de la bentonite lors du dégel (Eigenbrod, 2003b).

Figure 2-23 Évolution de l’espacement basal du réseau cristallin de la bentonite sodique pendant un cycle de gel-dégel (Anderson & Hoekstra, 1965)

La baisse de ksat parfois observée après le premier cycle a pour sa part été attribuée à un

réarrangement et une consolidation de la bentonite lors de la phase de dégel (Kraus et al., 1997; Podgorney & Bennett, 2006).

Finalement, une étude préliminaire a été menée par St-Laurent et Chevé (2015), dans laquelle des échantillons de GCB hydratés avec de l’eau souterraine légèrement acide et chargée en métaux dissous ont été exposés à 1, 4 et 10 cycles de gel-dégel. La ksat de l’échantillon soumis a 4 cycles

de gel-dégel a augmentée d’un facteur 400, tandis que celle de l’échantillon soumis à 10 cycles de gel-dégel n’a subi aucune augmentation. La raison de cette différence n’a pu être expliquée sur la base des résultats disponibles.

2.5.3.2 Cycles de mouillage et séchage

Depuis le début des années 1990, de nombreuses expérimentations en laboratoire et sur le terrain ont été réalisées sur des GCB afin d’évaluer leur comportement lorsque soumis à des cycles de mouillage-séchage, et les impacts sur la performance en découlant. Shan et Daniel (1991) ainsi que Boardman et Daniel (1997) ont réalisé des essais de mouillage-séchage avec de l’eau d’aqueduc. Dans les deux cas, des fissures de dessication se sont formées lors du séchage, mais ces dernières se sont refermées après le cycle de mouillage. La ksat de 10-9 cm/s est demeurée inchangée

avant et après l’essai. Les études portant sur les effets combinés de l’échange cationique et des cycles de mouillage et séchage sur la conductivité hydraulique des GCB (Benson & Meer, 2009; Bouazza, Vangpaisal, et al., 2006; Egloffstein, 2001; Lin & Benson, 2000; Meer & Benson, 2007) ont pour leur part démontré une diminution de la capacité d’autoréparation des fissures de dessiccation induites par le séchage d’un GCB, au fil de la perméation de ce GCB avec un liquide incompatible. Benson et Meer (2009) ont indiqué que dans le cadre de leurs expérimentations que le RMD contrôlait la capacité de gonflement finale de la bentonite et la conductivité hydraulique finale du GCB à la suite de 5 et 9 cycles, tandis que la I affectait la vitesse à laquelle les changements de propriété se produisaient.

La géométrie des fissures développées lors du séchage a un effet sur la perméabilité à l’eau et à l’air des GCB. Tant que la bentonite séchée n’a pas adsorbé suffisamment d’eau pour se gonfler, se plastifier et refermer les fissures en place, une augmentation du débit d’eau et d’air s’écoulant au travers du GCB peut être attendues. Toutefois, la réparation d’un réseau de nombreuses fissures fines devrait induire une augmentation de débit plus faible que pour un réseau de quelques larges fissures (Egloffstein, 2001, Bouazza et al., 2007).

2.5.3.3 Cycles combinés de gel-dégel et mouillage-séchage

Une étude préliminaire sur les effets combinés des cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage a été réalisée par St-Laurent et Chevé (2015) afin de déterminer le ksat obtenu à la suite de la

combinaison de ces phénomènes. Trois lixiviats ont été utilisés dans le cadre de cette étude, soit de l’eau déionisée, de l’eau de pluie synthétique, et de l’eau souterraine contaminée en métaux issue d’un site minier. Les essais ont été réalisés pour 1, 4 et 10 cycles et les résultats obtenus sont présentés à la figure 2-24.

Les résultats obtenus pour les cycles combinés de gel-dégel et de mouillage-séchage avec hydratation à l’eau souterraine ont indiqué des augmentations de ksat d’un facteur 5 après 4 cycles,

et d’un facteur 2000 après 10 cycles combinés. Ces augmentations étaient toutefois respectivement 100 fois et 2 fois inférieures à celles obtenues pour l’exposition à des cycles de mouillage-séchage uniquement. La cause des différences de ksat obtenues pour les divers essais n’a cependant pas pu

être identifiée avec la quantité limitée de résultats disponibles.

Figure 2-24 : Variation de conductivité hydraulique saturée en fonction du nombre de cycles (St- Laurent et al., 2015)