Une approche numérique des tests de lixiviation

– Articles associés, cfr. CV en annexe : (type A) De Windt et al. (2007a) ; (type B) Aouad et al. (2010) ;

– Collaborations : école des mines de Douai, INERIS.

Le principe des essais de lixiviation statique ou batch est la mise en contact d’une quantité de solide avec un volume de solution lixiviante (neutre, acide, basique, aqueuse, orga- nique...) dans un récipient fermé vis à vis de l’atmosphère sous agitation (figure 3.5-A). Ce type d’essai est largement utilisé comme essai de conformité notamment du fait de sa simplicité de mise en oeuvre et de sa rapidité. La solution est filtrée et analysée, les résul- tats étant ensuite comparés aux seuils réglementaires. On peut citer le test normalisé de capacité de neutralisation acido-basique (CNA) qui permet aussi d’étudier l’influence du pH sur la solubilisation des espèces chimiques, et le test normalisé de détermination des fractions maximales mobilisables (FMM). Les conditions de lixiviation étant généralement assez éloignées des conditions de lixiviation en site réel, ces essais en batch relèvent plutôt de la caractérisation du matériau.

3.3. (Bio)altération des matériaux cimentaires au laboratoire 27

D’autres essais dit essais comportementaux et visant à se rapprocher de conditions réelles ont donc été élaborés. Parmi ceux-ci, on peut citer les colonnes de percolation (Guyonnet et al., 2008), les dispositifs de carbonatation accéléré, ou encore le dispositif dit de Soxhlet modifié, utilisé pour la présente recherche (figure 3.5-B). Ces essais présentent, par rapport aux essais statiques, l’avantage de pouvoir suivre l’évolution de la mobilisation élémentaire en fonction du temps ou de la quantité de solution lixiviante mise en contact (rapport L/S fréquemment utilisé). Ces tests permettent de dériver divers paramètres intrinsèques tels que des valeurs de coefficients de diffusion. Tout comme les essais statiques, les conditions mises en oeuvre lors de ces essais dynamiques peuvent être différentes de celles rencontrées dans les scénario réels de valorisation, ce qui rend le transfert d’échelle peu aisé.

Le comportement d’un géomatériau soumis à un test de lixiviation donné, et sa modélisa- tion, dépendent à la fois des propriétés intrinsèques du matériau et des conditions pratiques du test, tels le pH ou le débit de renouvellement de la solution lixiviante, la présence ou l’absence d’agitation, etc. Une certaine diversité des résultats, exprimés par exemple en termes de profondeur ou de cinétique d’altération, découle ainsi de la diversité des modes opératoires. Dans ce contexte, une simulation numérique couplée chimie-transport repro- duisant le plus fidèlement possible les conditions opératoires peut permettre de transposer les données expérimentales d’une expérience à l’autre, ou d’en retirer les paramètres in- trinsèques du matériau.

Les modélisations HYTEC se basent généralement sur des maillages 2D en géométrie cy- lindrique décrivant la zone du réacteur proprement dite, le mécanisme d’injection de la solution lixiviante étant simulée par l’intermédiaire de conditions aux limites du maillage variables dans le temps. Le processus d’homogénéisation par agitation peut s’approcher en fixant des coefficients de diffusion élevés dans la zone décrivant la solution en périphérie du géomatériau. Il est ainsi possible de reproduire des données expérimentales comme la masse cumulée des majeurs et des polluants en sortie de réacteur, le pH de la solution en régime transitoire ou stationnaire, la profondeur de monolithe altérée, l’évolution de la minéralogie, etc. Ce type de modélisation avec variation des conditions de lixiviation n’a que peu été étudié dans la littérature scientifique et technique (Halim et al., 2005;

Tiruta-Barna et al., 2005; Martens et al., 2010, par ex.). Des recherches sur la durabilité des bétons, hors du contexte déchets, relèvent d’une démarche similaire mais plus centrée sur les profils d’altérations minéralogiques (Mainguy et al., 2000; Moranville et al., 2004;

Stora et al., 2009, par ex.).

Une telle approche fut appliquée à la modélisation de la lixiviation dynamique d’un dé- chet monolithique stabilisé au ciment et contenant du Pb à hauteur de 1 % en masse. Les différentes phases solides constitutives de la pâte de ciment ont des propriétés de confine- ment chimiques des métaux complémentaires (Atkins and Glasser,1992). Par exemple, les C-S-H immobilisent plus spécifiquement des métaux lourds divalents tels que le Pb (Rose et al., 2000; Badreddine et al., 2004;Cornelis et al., 2008). Le modèle géochimique du dé- chet basé sur les données de compositions chimique et minéralogique a d’abord été validé sur des tests statiques CNA et FMM (figure 3.6-A-B). Le modèle s’est avéré reproduire de manière très satisfaisante un grand nombre de données expérimentales. Un point clef pour une simulation précise du mécanisme d’altération fut de prendre en compte l’effet

de l’altération minéralogique (figure 3.6-C) sur la porosité et le coefficient de diffusion des zones altérées du monolithe. Par ailleurs, l’effet du raffinement du maillage sur l’accord expérience/modèle a été analysé en détail dans cette recherche de caractère générique ; en accord sur de nombreux points avec l’étude de Marty et al. (2009) réalisée indépendam- ment. Enfin, au-delà de l’aspect strictement scientifique, des données opérationnelles tel le calcul de flux d’éléments relâché (figure 3.6-D) peuvent être quantitativement déduits de telles simulations couplées.

Figure 3.5_{– Photographie des dispositifs de lixiviation en tests statique (batch)} et dynamique en système fermé (d’après R. Badreddine, INERIS).

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A B

C D

Figure 3.6_{– A : chimie de la solution du test statique FMM ; B : solubilité du Pb} en fonction du pH en test statique CNA ; C : calcul de l’altération minéralogique (coupe 1D) et D : étude de sensibilité du calcul de flux instantané en Na en fonction du coefficient de diffusion.