Propriétés physiques

Les propriétés physiques des GCB et, principalement, de la bentonite contenue dans le GCB, peuvent être utilisées tant pour le contrôle de la qualité du matériau que pour évaluer sa performance potentielle comme barrière aux fluides.

Les méthodes retrouvées dans la littérature afin d’évaluer les propriétés physiques des GCB sont majoritairement des normes de l’American Society for Testing and Materials International (ASTM). Quelques-unes correspondent à des normes couramment utilisées en géotechnique, telles que la D422 Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils (norme retirée en 2016 mais non remplacée jusqu’à présent), la D2216 Standard Test Methods for Laboratory Determination of Water (Moisture) Content of Soil and Rock by Mass et la D4318 Standard Test Methods for

Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils, employées pour déterminer, respectivement, la granulométrique de la bentonite, sa teneur en eau, ses limites de liquidité et de plasticité et son indice de plasticité. Les autres méthodes ont été développées spécifiquement pour la caractérisation des géosynthétiques et des GCB et seules ces dernières méthodes seront décrites dans les sections qui suivent.

2.2.1 Épaisseur du GCB

L’épaisseur est une propriété de base utilisée lors du contrôle de la qualité d’un géosynthétique. Elle varie toutefois selon la charge appliquée et la surface d’application de cette dernière. La norme ASTM D5199 Standard Test Method for Measuring the Nominal Thickness of Geosynthetics (ASTM, 2012a) a été développée pour le contrôle qualité des rouleaux de géotextiles et de géomembranes mais ne fait pas mention des GCB. Pour les géotextiles et géomembranes, la mesure de l’épaisseur doit être réalisée à l’aide d’une jauge d’épaisseur ayant un plateau inférieur d’au moins 56,4 mm de diamètre dans le cas d’un géotextile, et d’au moins 6,35 mm de diamètre dans le cas d’une géomembrane. Une pression doit ensuite être appliquée graduellement sur l’échantillon (2 kPa pour les géotextiles, 20 kPa pour les géomembranes) puis maintenue pendant 5 secondes. La valeur obtenue est considérée comme étant l’épaisseur du matériau.

Les valeurs d’épaisseurs de GCB rapportées par la littérature sont de l’ordre de 7 à 10 mm pour des GCB secs (GSI, 2016) et ont atteints des valeurs allant jusqu’à 13 mm pour des échantillons hydratés à l’eau déionisée, sous de faibles pressions de confinement (Petrov et al., 1997). Aucun détail n’est cependant fourni à savoir si la méthode précédente est appliquée ou non pour obtenir ces valeurs.

2.2.2 Diamètre des fibres aiguilletées

L’aiguilletage réalisé sur un GCB varie d’une compagnie à une autre. Afin de déterminer la densité et la grosseur de cet aiguilletage, Rowe et al. (2017) proposent deux méthodes. La première consiste à placer un échantillon de 30 cm par 30 cm sur une table lumineuse installée dans une chambre noire, puis de prendre des photographies à hautes résolution (72 dpi) du GCB. La lumière circule au travers des fibres aiguilletées et correspond à des points blancs sur l’image, tandis que la bentonite bloque la lumière et correspond à des zones noires. Les photos ainsi obtenues peuvent être analysées numériquement afin de déterminer la dimension et la densité de l’aiguilletage. La

seconde méthode proposée est une méthode manuelle. Elle consiste à hydrater des échantillons de 0,07 m de diamètre placés dans un perméamètre à paroi flexible à l’aide d’un mélange d’eau et de teinture bleue. La saturation est complétée lorsque de l’eau bleue apparaît dans l’effluent. Cette opération permet de rehausser la différence visuelle entre les fibres et la bentonite. Les échantillons sont ensuite coupés en deux, de manière à exposer une surface représentative de l’échantillon, et au moins 20 fibres doivent être mesurée en utilisant, entre autres, un microscope stéréoscopique. Le nombre de fibres présent dans la surface exposée est également compté manuellement, au microscope stéréoscopique, ce qui permet d’estimer la densité de fibre aiguilletées. Rowe et al. (2017) ont obtenus des diamètres moyens d’aiguilletage de 0,7 à 1,6 mm ainsi que des densités de 67 000 à 114 000 fibres/m² pour 4 modèles de GCB différents.

2.2.3 Masse surfacique

La masse surfacique de bentonite sodique n’a pas d’effet significatif sur la conductivité hydraulique à partir d’une valeur d’environ 2,7 kg/m³ (Touze-Foltz et al., 2011; von Maubeuge, 2002), mais peut avoir un effet sur l’épaisseur finale d’un GCB hydraté. Cette dernière valeur peut pour sa part avoir un impact sur le gradient hydraulique (von Maubeuge & Ehrenberg, 2014) et le flux de diffusion de l’oxygène (Aubertin et al., 2000), au travers du GCB, comme il sera expliqué plus en détails aux sections 2.3 et 2.4. De plus, la masse surfacique est une propriété indiquée aux fiches techniques des divers GCB. Ce paramètre s’avère donc pertinent tant pour la caractérisation que pour le contrôle qualité des GCB utilisés.

La norme ASTM D5993 Standard Test Method for Measuring Mass Per Unit of Geosynthetic Clay Liners (ASTM, 2014b) a été développée afin d’évaluer la masse surfacique sèche de bentonite dans un rouleau de GCB. Pour ce faire, 5 échantillons d’au moins 0,01 m² sont prélevés sur la largeur du rouleau, puis pesés, avant d’être séchés à une température de 110 ± 5C, jusqu’à ce qu’une masse constante de chaque échantillon soit atteinte. Une masse surfacique de GCB sèche peut alors être calculée, en divisant la masse sèche d’un échantillon par sa superficie. La masse surfacique de bentonite est ensuite calculée en soustrayant les masses surfaciques nominales des géotextiles de la masse surfacique calculée du GCB.

Deux éléments doivent faire l’objet d’une attention particulière lors de la réalisation de cet essai. Tout d’abord, la perte de bentonite lors du découpage d’échantillons peut avoir un impact significatif sur la précision des résultats obtenus. Ensuite, le fournisseur de GCB devrait être en

mesure de confirmer que la masse surfacique réelle des géotextiles du GCB ne diffère pas de plus de 10% de la valeur nominale. En fait, il est recommandé d’utiliser les valeurs moyennes obtenues par le manufacturier pour le contrôle qualité du lot de géotextiles utilisés, plutôt que les valeurs nominales.

Les spécifications techniques des GCB disponibles sur le marché nord-américain indiquent des surfaces massiques minimales de 3,6 kg/m² ou de 4,3 kg/m². Les données retrouvées dans la littérature indiquent un respect généralisé de ces spécifications ainsi que des valeurs pouvant être jusqu’à 25% supérieures à celles indiquées par le fabriquant (Rowe et al., 2017).

2.2.4 Teneur en eau initiale, actuelle et normalisée

L’évaluation de la teneur en eau de la bentonite renseigne sur l’état d’hydratation de cette dernière. La norme ASTM D5993 (ASTM, 2014b) présente une méthode de calcul de la teneur en eau initiale de la bentonite qu’un GCB contient, soit la teneur en eau avant une première hydratation. L’équation 2-3 est alors utilisée :

𝜔 = ( ⁄ ) ∗ 100 % (2-3)

où Mi est la masse initiale de l’échantillon de GCB,

A est l’aire de l’échantillon

mGCB est la masse surfacique du GCB

mbento est la masse surfacique de bentonite.

Les valeurs de teneurs en eau initiale de bentonite retrouvées dans la littérature sont de l’ordre de 7 à 13 % (Bouazza et al., 2007; Jo et al., 2001; Kashir & Yanful, 2001; Kolstad, Benson, & Edil, 2004; Shan & Lai, 2002; Touze-Foltz et al., 2016; Villar & Lloret, 2008).

Certains auteurs, tel que Mazzieri et al. (2013), présentent la teneur en eau initiale en faisant référence à la norme ASTM D2216 Standard Test Methods for Laboratory Determination of Water (Moisture) Content of Soil and Rock by Mass(ASTM, 2010a). Cette norme n’est pas spécifique aux géosynthétiques et permet de calculer la teneur en eau de la bentonite tout comme celle d’un GCB dans son ensemble, à l’état initial ou non, en utilisant l’équation 2-4 :

où Mw est la masse d’eau,

Ms est la masse de l’échantillon sec

Le fait de faire circuler une solution saline ou contenant divers ions en solutions peut avoir un impact sur la masse sèche d’un échantillon de GCB. Bouazza et al. (2007) décrivent de manière détaillée les mécanismes menant à cette modification de masse, qui se résument par la précipitation d’éléments dissous présents dans le liquide interstitiel lors du séchage de l’échantillon, un séchage à des températures insuffisantes pour déshydrater complètement les sels en solutions et une modification de la densité spécifique de la montmorillonite due aux échanges cationiques. Cette dernière variation de masse est cependant minime. Afin de pouvoir comparer les teneurs en eau d’échantillons hydratés à l’eau DI et avec une solution ayant une grande force ionique, Bouazza et al. (2007) ont introduit le concept de masse sèche actuelle (Ma). Cette masse sèche se calcule selon

l’équation 2-5 :

𝑀 = = ( )

( ) (2-5)

où Ma-GCB est la masse sèche actuelle du GCB

Ms-GCB est la masse des solides du GCB

f est fraction d’eau pure retenue par cristallisation

c est la masse de sels anhydres par gramme d’eau pure de l’eau interstitielle. et est utilisée à la place de la masse sèche réelle (Ms) dans l’équation 2-4.

Lorsque divers échantillons de GCB n’ayant pas les mêmes propriétés physiques sont utilisés au cours d’expérimentations, il s’avère intéressant d’utiliser des teneurs en eau normalisées afin de comparer les résultats obtenus. La teneur en eau calculée est alors divisée par une teneur en eau de référence, ref, correspondant à la teneur en eau maximale du GCB lorsqu’hydraté avec un certain

liquide, sous une certaine pression. Par exemple, Rayhani et al. (2011) ont utilisé des teneurs une ref correspond à l’immersion du GCB dans l’eau, sous une pression de confinement de 2 kPa dans

le cadre de leur étude sur l’hydratation de divers GCB.

Les teneurs en eau de GCB à saturation retrouvées dans la littérature, lorsque hydratés avec de l’eau ayant une très faible force ionique, varient de 115% à 250% (Rayhani et al., 2011; Shackelford et al., 2000; Shan & Lai, 2002; Vasko et al., 2001).

2.2.5 Indice des vides apparent

Tout comme pour les teneurs en eau normalisées, il peut s’avérer avantageux de normaliser l’indice des vides de GCB ayant une masse surfacique et une épaisseur hydratée variable. Petrov et al. (1997) ont proposé l’utilisation d’un indice des vides apparent (bulk void ratio), eB, pouvant se

calculer avec les équations 2-6 et 2-7 :

𝑒 = (2-6)

ℎ =

( )+

é

é (2-7)

où hGCL est la hauteur du GCB hydraté,

hs est la hauteur des composantes solides du GCB,

mbent est la masse surfacique initiales de la bentonite,

mgeotex est les masses surfaciques initiales des géotextiles

bento est la masse volumique des grains de bentonite dans le GCB

géotex est la volumique des grains de bentonite des géotextiles du GCB

i est la teneur en eau initiale de la bentonite.