Composition chimique Composition des feuillets Composition de l’interfeuillet
2. Essais de lixiviation semi-dynamiques
2.1. Présentation de l’essai de lixiviation semi-dynamique
Des essais de lixiviation semi-dynamiques ont été réalisés sur les échantillons de pâte de ciment. Le principe du test mis en œuvre, adapté d’Adenot [62], est celui d’un essai accéléré de lixiviation caractérisé par :
- le maintien du pH de la solution lixiviante par ajout d’acide nitrique concentré.
- le renouvellement régulier de la solution lixiviante (réalisé dès qu’une quantité donnée d’acide
a été ajoutée à la solution ou à un temps donné).
Le dispositif expérimental, présenté en Figure 23 est composé d’un réacteur de 1 L contenant la solution de lixiviation et les échantillons à lixivier. Le réacteur est équipé d’une électrode de pH et d’une burette reliées à un titreur, afin de contrôler et de mesurer le pH de la solution en continu. La solution du réacteur est maintenue sous agitation magnétique. Pour les campagnes menées, le pH de la solution de lixiviation est maintenu à 7 par ajout d’acide nitrique (CHNO3 = 0,250 mol/L). Pour les essais de lixiviation menés au LMDC à Toulouse, les essais se sont déroulés à température ambiante (23 °C), pour ceux réalisée au CERI à Douai les essais se sont déroulés à 30 °C.
Les essais de lixiviation semi-dynamiques ont été réalisés sur des échantillons broyés, sur des échantillons monolithiques et sur des échantillons d’un revêtement cimentaire.
Figure 23 : Schéma et photographie du test de lixiviation semi-dynamique dans le cas d’une lixiviation réalisée sur échantillons monolithiques et sur échantillons broyés
82 Plusieurs types de solutions de lixiviation (lixiviant) ont été utilisés lors des différents tests de lixiviation semi-dynamiques menés au cours de ces travaux :
- de l’eau ultra pure (EUP)
- de l’eau minéralisée (eau commerciale Volvic, pH 7). La composition de l’eau minéralisée a été
analysée par ICP-OES (pour l’analyse des cations) et par chromatographie ionique (pour l’analyse des anions). Sa composition est présentée dans le Tableau 15. L’eau utilisée est faiblement minéralisée et ne contient pas d’aluminium.
- une solution de MgCl2 à 8,2 mg/L.
- une solution d’AlCl3 à 250 µg/L.
Tableau 15 : Composition de l'eau minérale (en mg/L)
Ca Na K Mg Si Cl SO3 HCO3 NO3 Al Concentration (mg/L) 12,92 12,86 6,99 8,53 15,77 14,92 8,37 78,00 6,98 Non détecté Ecart type 0,46 0,43 0,22 0,30 0,54 0,09 0,02 0,60 0,20 /
2.2. Essais de lixiviation semi-dynamiques réalisés sur pâte cimentaire broyée
Les tests de lixiviation semi-dynamiques menés sur des échantillons broyés ont été réalisés sur des pâtes cimentaires CEM III/B, de la pâte cimentaire CEM I et du laitier. Le Tableau 16 récapitule les paramètres expérimentaux des tests de lixiviation semi-dynamiques réalisés sur échantillons broyés. Des échantillons broyés ont été lixiviés, afin de diminuer les phénomènes de diffusion se produisant lors de la lixiviation, d’augmenter la surface lixiviée et ainsi d’atteindre un stade de lixiviation plus avancée aussi bien pour la pâte de ciment CEM III que pour le laitier et la pâte de CEM I.83
Tableau 16 : Paramètres expérimentaux des tests de lixiviation semi-dynamiques réalisés sur échantillons broyés
Pâte de CEM III EUP
Pâte de CEM III
EM Laitier EUP Pâte de CEM I EUP pH de lixiviation 7 7 7 7 Nature de l’échantillon Pâtes de CEM III/B Pâtes de CEM
III/B Laitier anhydre Pâtes de CEM I
Solution de
lixiviation Eau Ultra Pure Eau minéralisée Eau Ultra Pure Eau Ultra Pure
Durée de l’essai 1 mois 1 mois 1 mois 1 mois
Température 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C
Lieu de
réalisation CERI CERI CERI CERI
Dans un réacteur, la solution lixiviante est mise en contact avec l’échantillon broyé. Le réacteur est équipé d’une électrode de pH et d’une burette contenant une solution de HNO3 (0,25 mol/L) reliées à un titreur, afin de mesurer et de maintenir le pH de la solution en continu. Le pH de consigne est de 7. La solution du réacteur est maintenue sous agitation magnétique.
Pour l’échantillonnage de la pâte cimentaire broyée, un quartage est effectué, afin de prélever 5 grammes de poudre possédant une granulométrie représentative de l’ensemble du matériau broyé. Un essai de lixiviation semi-dynamique est alors réalisé sur l’échantillon prélevé. La poudre est introduite dans un réacteur contenant 1 L de solution de lixiviation, ici de l’eau ultra pure ou de l’eau minéralisée (Figure 23).
Les relargages ioniques sont très importants au lancement de l’essai. A partir du temps initial, pour la poudre de pâte de CEM III lixiviée à l’eau ultra pure, 30 mL d’acide nitrique (C = 0.25 mol/L) sont ajoutés en environ 7 minutes, 60 mL en 28 minutes et le pH se stabilise à 7 au bout de 47 minutes.
Pour ces tests, le premier renouvellement a été effectué au bout de 2 heures, le second renouvellement a été effectué 16 heures après le premier renouvellement. Les renouvellements suivants sont effectués tous les 3,5 jours soit deux fois par semaine, à date fixe, quel que soit le volume d’acide ajouté.
Une procédure de renouvellement a été mise en place, afin de limiter la perte d’échantillons pendant cette étape : le réacteur, contenant le lixiviat et la poudre, est laissé à décanter pendant quelques minutes après l’arrêt de l’agitation, 200 mL de lixiviat sont ensuite prélevés en surface du réacteur et
84 répartis dans 4 tubes de 50 mL. Ces tubes sont alors centrifugés à 7500 RCF (6455 RPM) pendant 8 minutes (Centrifugeuse MF20/R Awel) le surnageant est retiré puis centrifugé une seconde fois. La moitié du surnageant est prélevée et acidifiée à 0,2 % d’HNO3 concentré à 67 % puis filtré à 0,45 µm. La seconde moitié est filtrée à 0,45 µm puis acidifiée à 0,2 % d’HNO3 concentré à 67 %. Dans le premier protocole, la filtration est réalisée après l’acidification pour ne pas perdre lors de l’étape de filtration d’éventuels composés qui auraient pu précipiter lors de l’essai de lixiviation. Néanmoins, ce protocole peut aussi dissoudre des particules de pâte de ciment restées dans le lixiviat. Pour cela, le second protocole a été mis en place (filtration puis acidification du lixiviat). Il va permettre de vérifier que la centrifugation réalisée à l’étape précédente n’a pas laissé de particules de solides dans le lixiviat. Parallèlement à la centrifugation, le reste du mélange présent dans le réacteur (mélange du lixiviat et de la pâte de ciment broyée) est filtré sous vide à 0,45 µm, afin de récupérer la partie solide et de reprendre la lixiviation de ces particules.
La poudre est récupérée pour être de nouveau lixiviée. Le filtre ayant servi pour la filtration du reste du mélange est alors récupéré puis mis à sécher à 30 °C jusqu’à stabilisation de la masse, afin d’évaluer la perte de masse due à l’étape de renouvellement de la solution. Le Tableau 17 ci-dessous détaille les pertes de masse entraînées par le renouvellement de la solution. Pour les quatre essais, la masse initiale de poudre est de 5 g. Les pertes de masse dues aux renouvellements varient suivant les essais de lixiviation réalisés.
Tableau 17 : Pertes de masse totales entraînées par les renouvellements lors des tests de lixiviation réalisés sur échantillons broyés
Pâte de CEM III broyée lixiviée à
l’eau ultra pure
Pâte de CEM III broyée lixiviée à l’eau minéralisée Laitier broyé lixivié à l’eau ultra pure Pâte de CEM I broyée lixiviée à
l’eau ultra pure Perte de masse
totale (en grammes)
0,71 0,26 0,92 0,27