influence de la temperature sur un sediment de barrage

Influence de la température
sédiment de barrage
sur
un
O. Seklaoui-Oukid1, D. Rangeard2, R. Jauberthie2, A. Bouhraoua1
1Laboratoire LaMoMS de genie civil, Université de Tizi-Ouzou, Algérie
2Laboratoire GCGM: matériaux EA 3913, INSA de Rennes, France
[email protected] ,
RESUME: Le barrage d’El Merdja Sidi Abed en Algérie est un lac alimenté à partir
d’une rivière, par une station de pompage; il est le siège d’un envasement important. Le
maintien de la capacité de la retenue passe par l’extraction des sédiments déposés. Dans ce
travail, on s’intéresse aux possibilités de réutilisation de ces sédiments. Dans un premier
temps, une caractérisation physique et minéralogique du matériau est réalisée. On met
notamment en évidence la présence d’argile gonflante. Ensuite, une étude géotechnique
classique (limites d’Atterberg, limite de retrait, essai Proctor...) est réalisée sur le matériau
naturel. Les résultats sont comparés à ceux obtenus pour un sédiment ne contenant pas
d’argile gonflante. Enfin, on étudie la possibilité d’un traitement thermique afin d’évaluer
l’influence de la température sur les caractéristiques géotechniques du matériau.
ABSTRACT: The dam of El Merdja Sidi Abed in Algeria is a lake fed from a river by a
pumping station; it is the seat of a significant siltation. Holding the reservoir capacity is
through the extraction of sediments deposited. In this work, we focus on reusability of these
sediments. Initially, physical and mineralogical characterization of the material is made. It
underlines in particular the presence of swelling clay. Then, a geotechnical study classical
(Atterberg limits, withdrawal limits, proctor test..) is performed on the natural material. The
results are compared with those obtained for a sediment containing no swelling clay. Finally,
we study the possibility of a heat treatment in order to study the influence of temperature on
the geotechnical characteristics of the material.
MOTS-CLES : sédiment, barrage, argile gonflante, traitement thermique.
KEYWORDS: sediment, dam, swelling clay, heat treatment.
1. Introduction
Le barrage d’El Merdja Sidi Abed en Algérie est initialement un lac alimenté à
partir d’une rivière par une station de pompage. Ce barrage est le siège d’un
envasement important. Le maintien de la capacité de la retenue passe par
l’extraction des sédiments déposés. Ces sédiments sont constitués d’un dépôt de
particules fines [MEK]. Dans ce travail, on s’intéresse aux possibilités de
réutilisation de ces matériaux définis habituellement comme des déchets.
Les caractéristiques géotechniques de ce matériau sont trop faibles pour
envisager leur utilisation directe. Un traitement est nécessaire en vue d’une
utilisation nécessitant des caractéristiques mécaniques minimales (par exemple, en
couche de forme dans le domaine routier). De nombreux paramètres entrent en jeu :
le temps après la mise en place [KHA 07], la température qui modifie la cinétique,
[RAO 05] ou bien certains ajouts [JHA 06] ou minéraux contenus dans le sol [SIV
06].
Dans un premier temps, une caractérisation géotechnique et minéralogique du
matériau est réalisée. L’analyse minéralogique (diffraction X, MEB) permet de
définir le type d’éléments présents dans le matériau. On met notamment en évidence
la présence d’argile gonflante. Par la suite, afin d’analyser l’influence de la présence
d’argile gonflante, on choisit de comparer systématiquement les résultats obtenus
pour le sédiment d’El Merdja à ceux obtenus pour un sédiment ne contenant pas
d’argile gonflante. Pour cette étude, on choisit un sédiment prélevé dans la partie
fluviale de la Rance dans le port de Lyvet [FAL 09]. Les essais géotechniques
classiques (analyse granulométrique au laser, limites d’Atterberg, valeur au bleu et
teneur en matière organique) permettent de classifier le matériau dans son état
naturel. L’influence du type d’argile est particulièrement mise en évidence sur le
comportement au retrait du matériau et sur la pression de gonflement.
Ensuite, on étudie l’influence d’un traitement sur les caractéristiques
géotechniques du matériau, notamment sur la granulométrie, la quantité et l’activité
de la fraction argileuse, l’indice de plasticité, le retrait… Deux températures sont
testées : 400°C et 800 °C.
2. Caractérisation physique et chimique
2.1. Matériels utilisés
La granulométrie est déterminée à l’aide d’un granulomètre Cilas 1180 par
diffraction laser intégrant l’approximation de Fraunhoffer et la théorie de Mie.
L’analyse X est obtenue à l’aide d’un diffractomètre Philips PW 3710. Les
observations au microscope électronique à balayage sont obtenues sur un appareil
JEOL 6400. Des observations avec une meilleure définition et un plus fort
grossissement sont obtenues avec un microscope électronique à effet de champ
JEOL JSM 6301 FEG.
2.2. Analyse granulométrique
Des analyses granulométriques ont été réalisées sur chacun des deux sédiments,
celui du Lyvet et celui d’El Merdja, après séchage à 100°C.
Les résultats, en terme de courbe granulométrique, sont présentés figure 1 pour
les deux sédiments naturels. Ils mettent en évidence, pour les deux sédiments, une
granulométrie relativement fine. Les diamètres maximaux sont de 80 µm pour le
sédiment fluvial du Lyvet et de 20 µm pour le sédiment du barrage d’El Merdja avec
des D50 de 8 µm et 3 µm respectivement.
Fréquence cumulée (%)
100
80
60
40
Lyvet
20
0
0.01
ElMerdja
0.1
1
10
diamètre (m)
100
1,000
Figure 1. Courbes granulométriques des deux sédiments
2.3. Analyse par diffraction X
Les diagrammes de diffraction X sont réalisés sur un diffractomètre Philips
XPERT en géométrie Bragg-Brentano avec une anode Cu, le rayonnement est filtré
au Ni, la radiation utilisée est kα. La tension utilisée est de 45 kV et un courant de
40 mA. L’enregistrement est de type pas à pas avec un pas de 8 10 -3 °2θ entre 5 et
75°2θ. L’analyse par diffraction X est réalisée sur l’échantillon naturel, sans
traitement. Celui-ci est composé de quartz et de calcite (figure 2a). Les minéraux
argileux ne peuvent être déterminés qu’après traitement à 550°C pendant 1h (figure
2d) et par glycérolage (figure 2c). Les raies caractéristiques du kaolin disparaissent
par chauffage. L’illite, stable en température et par traitement au glycérol est
présente en petite quantité. Les minéraux à 1,4nm sont composés de chlorite stable
pendant les différents traitements et de smectite (gonflante au glycérol dont la
distance inter foliaire diminue par chauffage).
a) Naturel
b) Décarbonaté
c) Glycérolé
d) Thermolysé
Figure 2. Diagramme de diffraction X du sédiment d’El Merdja (kα Cu filtré)
3. Caractérisation géotechnique
Dans un premier temps, la teneur en matières organiques a été déterminée par
calcimétrie sur les deux sédiments. Dans le cas du sédiment du Lyvet, la valeur
obtenue est de l’ordre de 7%. Dans le cas du sédiment d’El Merdja, la valeur
obtenue est nettement plus faible et de l’ordre de 3%. La matière organique est donc
en plus grande quantité dans le sédiment de Lyvet que dans le sédiment d’El Merdja.
Sédiment du Lyvet
3,0
Sédiment d’El Merdja
7,5
Tableau 1. Valeur au bleu (VBS) des deux sédiments
Afin de vérifier l’influence de la présence d’argile de type gonflante au sein du
second matériau, des essais de mesures de la quantité et de l’activité de la fraction
argileuse par l’essai à la tache ont été réalisées [NF 98]. Le résultat de l’essai au bleu
(VBS) est directement lié à la surface spécifique des particules du sol. Les résultats
obtenus sont synthétisés dans le tableau 1. On note une valeur nettement plus élevée
dans le cas du sédiment d’El Merdja, confirmant ainsi la présence d’argile de type
gonflante qui a toujours une surface spécifique très nettement supérieure à celle du
kaolin.
3.1. Limite d’Atterberg
Les limites de liquidité et de plasticité des deux sédiments ont été déterminées
respectivement à la coupelle de Casagrande et au cône tombant [ ZEN 09]. Les limites
de liquidité identifiées pour chacun des deux sédiments sont très proches (tableau 2).
En revanche, la limite de plasticité apparaît nettement plus élevée pour le sédiment
du Lyvet. Ceci se traduit par un écart important sur l’indice de plasticité. Sa valeur
est de 27% pour le sédiment du Lyvet et de 39% pour le sédiment d’El Merdja. Ceci
traduit une plus grande sensibilité à l’eau pour ce dernier sédiment.
wL (%)
WP (%)
IP
Sédiment du Lyvet
68
41
27
Sédiment d’El Merdja
65
26
39
Tableau 2. Limites d’Atterberg
3.2. Limite de retrait
De manière à mettre en évidence le rôle des argiles gonflantes, des essais de
mesure du retrait ont été effectués sur les deux sédiments testés. La limite de retrait
wR d’un matériau est définie comme la teneur en eau pondérale en dessous de
laquelle le volume de l’échantillon reste constant et pour laquelle le matériau reste
quasi saturé [HOL 81]. La limite de retrait d’un sol est classiquement déterminée sur
le passant à 400µm du matériau suivant la norme française [XP 90]. La limite de
retrait conventionnelle WR est déterminée à partir de l’expression [1]. Cette limite de
retrait correspond à une limite de retrait volumique.
WR 
mh  W (V0  Vd )
1
md
[1]
Avec mh la masse humide initiale de la prise d’essai, md la masse sèche de la
prise d’essai, V0 le volume initial de la prise d’essai et Vd le volume de la prise
d’essai après dessiccation complète.
Dans cette étude, on détermine également une limite de retrait à partir d’essais de
retrait linéique horizontal décrits dans les normes anglo-saxones ([BS 90], [AS 77]).
L’essai consiste à mesurer, après dessiccation complète, la longueur d’une
éprouvette de matériau mise en place dans un moule formé d’un demi-cylindre. Le
moule utilisé dans cette étude a un diamètre de 50 mm et une longueur de 250 mm.
L’exploitation de l’essai consiste à mesurer, après dessiccation complète, la
longueur ld de l’échantillon.
conventionnellement par :
LS  (1 
Le
retrait
linéaire
LS
est
alors
défini
ld
).100
l0
[2]
Cette valeur correspond à la déformation longitudinale de l’éprouvette après
dessiccation. La méthodologie décrite dans [FAL 09] permet également de d’obtenir
une courbe de dessiccation complète, et de déterminer une limite de retrait.
Les courbes de dessiccation obtenues pour la limite de retrait horizontal sont
présentées en figure 4. Les valeurs des limites de retrait identifiées à partir des deux
méthodes expérimentales et le retrait linéaire total sont synthétisés dans le tableau 3.
On note une bonne concordance entre les résultats obtenus par chacune des deux
méthodes d’essais.
30
El Merdja
Lyvet
25
0
l/l (%)
20
15
10
5
0
0
10
20
W
30
40
50
60
70
80
w (%)
R
W
R
Figure 4. Courbes de dessiccation (retrait linéique horizontal) pour les deux
sédiments.
On remarque également l’influence marquée de la nature des argiles sur le retrait
des matériaux. Le sédiment d’El Merdja, contenant de la smectite, présente une
limite de retrait nettement plus faible que celle du sédiment du Lyvet. De plus, pour
une même teneur en eau initiale, le retrait total est nettement plus important pour le
sédiment d’El Merdja. La présence d’argile gonflante est la cause de l’étendue
nettement plus importante de la plage de sensibilité à l’eau.
Limite de retrait WR (%)
Volumique
Horizontal
LS (%)
Sédiment du Lyvet
31,7
30,6
8,4
Sédiment d’El Merdja
14,8
12,8
17,5
Tableau 3. Limites de retrait et retrait linéaire total LS
3.3. Caractéristiques de compactage et pression de gonflement
La teneur en eau optimale (essai Proctor) est de 32% et 21% respectivement pour
le sédiment du Lyvet et celui d’El Merdja. Les valeurs du poids volumique sec
associées sont respectivement de 13,5 kN.m-3 et 15,6 kN.m-3.
Des essais de gonflement empêché ont été réalisés sur les deux matériaux afin de
déterminer la pression de gonflement g. Les matériaux sont compactés à l’optimum
Proctor dans la bague d’essai. Un piston fixe est mis en contact avec la face
supérieure de l’échantillon. Lors de la mise en eau, un capteur d’effort permet le
suivi de la contrainte verticale générée par l’échantillon sur le piston en fonction du
temps. La pression de gonflement mesurée pour le sédiment d’El Merdja, contenant
de la montmorillonite, est de l’ordre de 85 kPa, alors que celle du sédiment du
Lyvet, contenant essentiellement de la kaolinite et de l’illite est de l’ordre de 5 kPa
seulement.
4. Influence d’un traitement thermique
Dans la suite de cette étude, après avoir mis en évidence la présence d’argile
gonflante dans le sédiment du barrage d’El Merdja, l’influence d’un traitement
thermique sur les caractéristiques géotechniques est testée. Le sédiment est séché,
broyé et tamisé puis soumis à une sollicitation thermique. Différentes températures
de traitement comprises entre 200 et 900°C sont testées.
4.1. Modifications physiques et minéralogiques
La granulométrie du matériau décarbonaté, puis chauffé à différentes
température est donnée figure 5.
Fréquence cumulée (%)
100
80
60
Naturel
décarbonaté
200 °C
500° C
900° C
40
20
0
0.01
0.1
1
diamètre (m)
10
100
Figure 5. Courbes granulométriques du sédiment naturel, décarbonaté, chauffé.
La décarbonatation provoque la disparition de quelques gros éléments. Ce qui
semble logique si l’on considère que la calcite provient essentiellement de coquilles.
A partir de 500°C et au fur et à mesure que la température croit, les courbes
granulométriques se déplacent vers les grosses granulométries. Il y a donc 2 effets
antagonistes : la décarbonatation (par attaque acide) provoque la disparition de gros
éléments probablement des coquilles et d’autre part le chauffage qui conduit à la
formation de particules plus grossières.
a) naturel
b) décarbonaté
c) 500°C
d) 900°C
Figure 6. Observations MEB (à gauche x20000 ; à droite x50000).
Les observations au MEB à effet de champ des sédiments sans traitement et
décarbonatés par attaque acide (figures 6a et 6b) ne montrent pas de différences
notables. Ceci s’explique aisément car les minéraux argileux et le quartz ne sont pas
sensibles aux attaques acides. Seule la calcite a été détruite (transformé en sel de
forte solubilité). Lors des traitements thermiques à 500°C figure 6c), certaines
particules sont de plus grande taille qu’avant traitement. La structure en feuillets des
argiles reste inchangée, seul le kaolin transformé en métakaolin comme l’a indiqué
la diffraction X, peut expliquer ce changement de granulométrie. Lors du traitement
à 900°C (figure 6d), les particules apparaissent comme soudées entre elles
(phénomène similaire au frittage).
4.1. Modifications des caractéristiques géotechniques
Les limites de liquidité, de plasticité, de retrait et la valeur au bleu VBS ont été
déterminées sur le matériau chauffé à 400°C et à 800°C. L’ensemble des résultats
est synthétisé dans le tableau 4. Le changement d’aspect du matériau est montré sur
la figure 7 présentant les éprouvettes de retrait après dessiccation complète.
Figure 7. Photographies des éprouvettes de mesure du retrait linéique et volumique
après retrait total. a et g) 800°C, b et f) 400°C, c et e) naturel
Naturel
400°C
800°C
VBS
7,5
2,8
0,3
Wl (%)
Wp (%)
Ip (%)
Wr (%)
65
26
39
13
44
35
9
22
44
39
5
37
Tableau 4.Caractéristiques géotechniques.
LS (%)
17,5
11
2
L’ensemble des résultats montre clairement une modification importante des
caractéristiques géotechniques du sol ayant subi un traitement thermique. On
constate dès 400°C une diminution forte de la limite de liquidité, et une
augmentation de la limite de plasticité. L’indice de plasticité chute fortement (39% à
moins de 10%). Concernant la valeur au bleu, elle chute fortement après chauffage à
400°C, et devient quasi nulle après chauffage à 800°C. De même, la limite de retrait
Wr augmente avec la température, tandis que le retrait linéaire total LS diminue
fortement, pour devenir très faible (2%) après traitement à 800°C. La sensibilité à
l’eau du matériau est fortement réduite par le traitement thermique.
5. Conclusions
L’analyse des sédiments prélevés dans la retenue du barrage d’El Merdja a
permis de définir la composition chimique et minéralogique de ce matériau. Les
éléments minéraux composant le matériau sont principalement du quartz, de la
calcite et de l’argile sous forme de kaolinite et de montmorillonite.
Les essais de caractérisation géotechnique ont été réalisés sur ce sédiment et
leurs résultats comparés à ceux obtenus pour un sédiment fluvial ne contenant que
des argiles de type kaolinite et illite. L’influence de la présence d’argile gonflante
sur le comportement du matériau est ainsi mise en évidence.
Un traitement thermique a été testé sur le sédiment d’El Merdja, les
caractéristiques géotechniques obtenues pour le sédiment traité sont améliorées. En
effet le sol naturel est argileux, plastique et a un retrait important. Le traitement
thermique diminue fortement la sensibilité à l’eau du sédiment.
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