Analyse environnementale des matériaux

APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE

Méthodologie générale de l’étude

Rappelons que l’objectif général de ce projet de recherche est d’optimiser la quantité de boues de traitement des eaux minières acides dans les mélanges sols-boues (MSB) en appliquant les théories d’optimisation des mélanges. La méthodologie globale utilisée pour atteindre cet objectif général se subdivise en trois étapes reprises à la figure 3-1.
– La première étape débutera par l’échantillonnage des matériaux, à savoir: les boues prélevées sur deux sites, Westwood (WW) et celui de Waite Amulet (W A), le sable et le till sur le site Westwood. Cette étape se focalisera sur la caractérisation de tous les matériaux utilisés dans la préparation des mélanges. La caractérisation physique permettra de connaitre les paramètres de base des matériaux (la distribution granulométrique, la teneur en eau initiale, la densité relative des grains solides, la masse volumique, etc.). Les essais Proctor, de CRE et de ksat seront réalisés sur le sable et till. Des analyses chimiques élémentaires (ICP-AES, S-C et XRF) et minéralogiques (diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage) seront également réalisées afin d’identifier et de quantifier respectivement les éléments et les phases minérales contenues dans les matériaux.
– La deuxième étape portera sur l’optimisation des mélanges sols-boues. L’optimisation des mélanges sera effectuée de deux manières. Premièrement, en utilisant les modèles d’optimisation des mélanges et deuxièmement, en faisant une optimisation par compactage. La combinaison théorique des matériaux (sable, till et boues) sera effectuée en utilisant les modèles d’optimisation suivants : Fuller et Thomson (1907), Andreasen et Andersen (1930), Dinger et Funk (1994), Koltermann et Gorelick (1995), Gutierrez (2005), Côté et Konrad (2003), Jehring et Bareither (2016), Wickland et al. (2006) afin d’obtenir des mélanges optimisés sols-boues (till-boues et sable-boues). L’optimisation par compactage sera effectuée en déterminant les variations de la masse volumique sèche Pd en fonction de la teneur en boues et de la teneur en eau des mélanges. Les résultats obtenus avec les deux catégories de méthodes seront comparés entre eux afin de dégager les mélanges qui feront l’objet de la caractérisation hydrogéotechnique.
– La troisième étape portera sur la caractérisation hydrogéotechnique des mélanges sols-boues optimisés. Des essais de conductivité hydraulique saturée, de retrait libre et de courbe de rétention  d’ eau en cellule de haute pression seront également réalisés sur les mélanges optimisés afin de déterminer s’ils répondent au.x critères requis pour constituer une couche de rétention d’eau d’une CEBC.

Caractérisation des matériaux

Échantillonnage

Dans ce travail, deme types de sols (till et sable) ainsi que deu.x types de boues seront utilisés. Les boues ont été respectivement échantillonnées dans des bassins de décantation sur les sites MouskaDoyon-Westwood et Waite Amulet durant l’Été 2017 par les opérateurs miniers. Les sols (till et sable) ont été échantillounés sur le site Mouska-Doyon-Westwood à l’ Automne 2017. Les boues et les sols ont ensuite été placés dans des réseiVoirs de 275 gallons (1041litres). Quatre réseiVoirs
de boues et quatre réseiVoirs de sol ont été acheminés au Laboratoire URSTM de l’UQAT.
Pour chaque réservoir, les échantillons ont été prélevés dans deux chaudières, puis homogénéisés. Deux échantillons ont été prélevés dans chaque chaudière pour la caractérisation. Après leur caractérisation, les résultats étaient très proches. Dans la suite des travaux, un seul échantillon a donc été considéré.

Caractérisation physique

Les propriétés géotechniques suivantes sont déterminées dans cette partie de l’étude: la densité relative des grains (Gs), la teneur en eau massique, la masse volumique humide, l’analyse granulométrique et les limites d’ Atterberg.

Densité relative des grains

La densité relative des grains (Gs) est déterminée en suivant la norme D854-14. Dans le cadre de ce travail, le pycnomètre à hélium (Micromeritics Accupyc 1330) a été utilisé. Le principe général du pycnomètre consiste à mesurer le volume du gaz hélium V2 (m3) à la pression P2 (kPa) diffusant à travers les vides d’un échantillon sec, de masse Ms (kg) sous l’effet de la pression appliquée P1 (kPa). Au laboratoire, un volume inconnu V1 (m3) du gaz hélium à la pression P1 (145 kPa) est injecté dans l’échantillon de matériau placé dans le cylindre porte-échantillon de volume connu V c (rn\ jusqu’ à la saturation de ce dernier par l’hélium. Le volume V 1 (rn\ qui représente le volume des vides contenus dans les pores de l’échantillon est déterminé à l’aide de la loi de Boyle-Mariotte sur les gaz parfaits :(3-1) où, Pa est la pression atmosphérique. À l’aide de l’équation 3-1., V1 est obtenu. Connaissant le volume du cylindre porte-échantillon V c, le volume des grains solides Vs peut être obtenu par : (3-2) Connaissant Vs, la masse volumique des grains solides (Ps) est obtenue à l’aide de l’équation (2-16). La densité relative des grains (Gs) par l’équation (2-19). Connaissant les densités relatives des sols et des boues, celle des mélanges (Gs_m) a été déterminée par calcul en utilisant la formule développée par Mbonimpa et al.

Teneur en eau massique

La détermination de la teneur en eau massique des matériaux (w) au laboratoire a été réalisée selon la norme AS TM D2216. À 1′ aide d’une balance de précision, une quantité de matériau est pesée afin de connaitre sa masse humide (Mh), puis placée dans une étuve à une température de 60°C pour séchage. Les matériaux placés à l’étuve étaient pesés après chaque intervalle de temps de 24h afin de connaitre la perte en eau par différence de masse des matériaux avant et après chaque pesée. La fin du séchage est marquée par la variation nulle de la perte en eau. Connaissant la masse de l’échantillon séché, la teneur en eau massique est déterminée à l’aide de l’équation (2-14).

Masse volumique humide à l’état lâche

La masse volumique humide (Ph) est déterminée au laboratoire en utilisant l’équation (2-15).L’essai se déroule de la manière suivante : connaissant le volume du moule Proctor normal dont les dimensions sont de 116,4 mm de hauteur et de 101,6 mm de diamètre, les matériaux (boues et sols) à une teneur en eau donnée, sont versés de manière lâche dans le moule jusqu’à son remplissage. Le remplissage du moule est fait de sorte à dépasser la quantité requise, puis à l’aide d’une barre en acier, la quantité de matériau en excès est arasée. Cet essai est effectué 7 fois pour le même matériau. Avec les résultats obtenus, on effectue une moyenne arithmétique simple et la valeur moyenne est retenue comme la valeur de la masse volumique humide du matériau à cette teneur en eau. La masse volumique humide à 1 ‘état lâche est déterminée ici, car sa valeur sera utilisée plus loin dans la conversion de proportion volumique sèche en proportion massique humide.
Connaissant la densité relative des grains (Gs), la teneur en eau (w) et la masse volumique humide (Ph), les autres paramètres tels que la porosité (n), l’indice des vides (e) et le poids volumique sec (y ct) sont obtenus par calculs en utilisant les équations présentées dans le tableau 2-1. Ces valeurs sont obtenues pour l’état lâche du matériau.

Table des matières

DÉDICACE
REMERCIEMENTS
RÉSUME
ABSTRACT
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS
LISTE DES ANNEXES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Contexte de l’étude
1.2 Problématique du projet
1.3 Objectifs et hypothèses de recherche
1.3.1 Objectif général
1.3.2 Objectifs spécifiques
1.3.3 Hypothèses de recherche
1.4 Structure du mémoire
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Drainage minier acide (DMA)
2.1.1 Source et formation du drainage minier acide
2.1.2 Prévention et contrôle du drainage minier acide
2.1. 3 Traitement du drainage minier acide
2.2 Propriétés de base des matériaux granulaires
2. 2.1 Composition des matériaux granulaires
2. 2. 2 Porosité
2. 2. 3 Indice de compacité
2.2.4 Compacité
2.2.5 Granulométrie
2. 2. 6 Conductivité hydraulique
2.2.7 Courbe de rétention d’eau
2.2.8 Courbe de retrait
2.3 Théorie sur l’empilement des particules
2.3.1 Historique des études sur l’empilement des  particules
2.3.2 Effets d’interactions granulaires
2.4 Mélanges binaires sans interactions granulaires
2.5 Mélanges binaires avec interactions
2.6 Modèles continus de mélanges basés sur la courbe granulométrique idéale
2.6.1 Modèle de Rosin-Rammler (1933)
2.6.2 Modèle de Fuller et Thomson (1907)
2.6.3 Modèle d’ Andreasen et Andersen (1930)
2.6.4 Modèle de Dinger et Funk (1994)
2.6.5 Comparaison des courbes de Fuller, Andreasen et Dinger et Funk
2. 7 Modèles continus de mélanges basés sur la théorie de mélange
2. 7.1 Modèle de Koltermann et Gorelick (1995)
2.7.2 Modèle de mélange de Gutierrez (2005)
2.7.3 Modèle de Côté et Konrad (2003)
2.7.4 Modèle de Jehring et Bareither (2016)
2.7.5 Modèle de Wickland et al. (2006)
2.8 Logiciels d’optimisation des mélanges
2.9 Récapitulatif et justification de 1 ‘étude
CHAPITRE 3 APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE
3.1 Méthodologie générale de l’étude
3.2 Caractérisation des matériaux
3.2.1 Échantillonnage
3.2.2 Caractérisation physique
3.2.3 Analyse environnementale des matériaux
3.2.4 Caractérisation chimique
3.2.5 Caractérisation minéralogique
3.2.6 Essai de compactage Proctor..
3.2. 7 Caractérisation hydrogéotechnique
3.3 Optimisation des mélanges
3.3.1 Optimisation par les modèles de mélanges
3.3.2 Optimisation par compactage
CHAPITRE 4 RÉSULTATS
4.1 Caractéristiques des matériaux
4.1.1 Propriétés physiques
4.1.2 Caractéristiques hydrogéotechniques des sols et des boues
4.1. 3 Propriétés chimiques et minéralogiques
4.1.4 Potentiel de génération d’acide
4.2 Détermination des mélanges optimaux basés sur la courbe granulométrique idéale
4.3 Détermination des mélanges optimaux basés la théorie de mélanges
4.3.1 Application du modèle de Koltermann et Gorelick (1995)
4.3.2 Application du modèle de Côté et Konrad (2003)
4.3.3 Application du modèle de Gutierrez (2005)
4.3.4 Application du modèle de Wickland et al. (2006)
4.3.5 Application du modèle de Jehring et Bareither (2016)
4.3.6 Comparaison des modèles basés sur la théorie de mélanges
4.4 Détermination des mélanges optimaux par compactage
4.4.1 Essai de compactage des MSBWW
4.4.2 Essai de compactage des MSBW A
4.4.3 Essai de compactage des MTBWW
4.4.4 Essai de compactage des MTBW A
4.4. 5 Récapitulatif de résultats de 1′ optimisation par compactage
4.5 Proportions optimales retenues pour différents mélanges
4.6 Caractérisation hydrogéotechnique des mélanges
4.6.1 Essai de conductivité hydraulique saturée
4.6.2 Essai de retrait
4.6.3 Essai de courbe de rétention d’eau (CRE) en cellule haute pression
CHAPITRE 5 DISCUSSIONS
5.1 Effet de la teneur en eau initiale des sols sur les mélanges
5.1.1 Modèle de Koltermann et Gorelick (1995)
5.1.2 Modèle de Côté et Konrad (2003)
5.1.3 Théorie de Wickland et al. (2006)
5.1.4 Modèle de Jehring et Bareither (2016)
5.1. 5 Récapitulatif
5.2 Effet de l’état dense des sols sur les proportions optimales
5.2.1 Application du modèle de Koltermann et Gorelick (1995) avec sols denses
5.2.2 Application du modèle de Côté et Konrad (2003) avec sols denses
5.2.3 Application du modèle de Jehring et Bareither (2016) avec sols denses
5.2.4 Récapitulatif
5.3 Dernières remarques
CHAPITRE 6 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
6.1 Conclusion
6.2 Recommandations
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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