TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES MATÉRIAUX POREUX

TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES MATÉRIAUX POREUX

Préparation de batchs de RPCs

Pour qu’un RPC réponde aux objectifs d’un chantier à remblayer donné, il est judicieux d’optimiser sa recette. En d’autres termes, il faut arriver à faire un choix rationnel du type de liant et de sa proportion pour fabriquer un RPC à même de répondre aux caractéristiques mécanique requises (Benzaazoua et al., 2000; Belem et al., 2003). Le ciment portland HE a été proposé comme liant par le partenaire industriel. Il faut aussi que le RPC ait une consistance et une fluidité (ou des caractéristiques rhéologiques) pour être distribué sans beaucoup de difficulté.Cette consistance est généralement exprimée en termes d’affaissement au cône standard d’ Abrams ou slump. Cet essai a été conçu pour la détermination de la consistance des bétons. Pour faciliter le transport et l’acheminement du remblai dans les excavations souterraines, l’affaissement au cône idéal des RPC est compris entre 15 cm (6 pouces) et 25 cm (10 pouces) (Landriault et al., 1997). Dans le cadre de ce projet, un slump de 7 pouces était visé. Pour préparer un RPC ayant un affaissement au cône donné, il est plus facile de déterminer le pourcentage solide Cw correspondant. Les travaux préliminaires de ce projet réalisés à l’URSTM avaient permis de déterminer Cw = 76,25% correspondant au slump visé de 7 pouces. Connaissant Cw, il devient alors facile de calculer à l’aide des expressions définies à la section 3.2.1 les quantités de résidus, de liant(s) et d’eau de gâchage nécessaires pour préparer un RPC ayant un affaissement visé.

Étude de propriétés thermiques du RPC

Dans ce qui suit, on décrit l’appareil KD2 Pro utilisé pour déterminer les propriétés thermiques. On présente aussi la procédure suivie pour étudier l’effet de divers paramètres (température, pourcentage de liant, salinité) sur l’évolution des propriétés thermiques en fonction du temps de cure.

Description de l’analyseur de propriétés thermiques KD2 Pro

L’analyseur de propriétés thermiques KD2 Pro est un appareil portatif développé par DECAGON Inc. (voir Figure 3-7). Cet appareil est conforme aux normes IEEE 442-1981 et ASTM D5334-08 et peut être utilisé au laboratoire ou sur terrain. Son principe est basé sur la méthode du fil chaud décrit précédemment à la section 2.2.3.1. De recherches sur les propriétés thermiques du sol et autres matériaux poreux pendant 30 ans ont permis la mise sur pieds d’un analyseur aussi sophistiqué pour la mesure des propriétés thermiques. L’analyseur est très sensible car le mouvement d’une personne au laboratoire ou la chaleur du soleil sur terrain affecte l’exactitude de mesures de propriétés thermiques (Decagon Deviees, 2014).L’appareil peut être utilisé en mode manuel ou en mode automatique (enregistrement automatique). L’utilisation en mode automatique sous-entend une collecte des données sans surveillance d’utilisateur à des intervalles de temps définis. Le mémoire flash de l’analyseur KD2 Pro peut stocker au maximum 409 5 lectures. L’analyseur KD2 est livré avec trois capteurs « SH-1», « TR-1 » et « KS-1 ». Les conditions d’utilisation appropriée de chacun des capteurs, leur temps de lecture, leur précision, la gamme de valeurs mesurées ainsi que les températures minimale set maximales d’utilisation sont données dans le manuel d’utilisateur. Le Tableau 3.4 indique dans quels types de matériaux les trois capteurs sont appropriés. Il faut aussi mentionner que le capteur SH-1 est le seul capable de mesurer la conductivité thermique et la capacité thermique volumique.

Étude de l’évolution de propriétés thermiques durant la cure du RPC

Pour étudier l’évolution des propriétés thermiques des remblais, plusieurs batchs de RPC différents par leur pourcentage en liant (Bw), pourcentages solides (Cw) et par le type de l’eau utilisée (eau saline et eau de robinet) ont été préparés et placés dans des moules de 3 pouces de diamètre et 6 pouces de hauteur et curés à différentes températures. La Figure 3-8 illustre l’utilisation de la sonde SH-1. Les échantillons testés ont été curés à des températures de -8, 2, 22 °C. Les mesures ont été réalisées en mode automatique à des temps de cure de 0, 1, 7, 14, 21 et 28 jours. Chaque prise de mesure dure au minimum 2 minutes et l’intervalle de temps entre deux mesures est de 15 minutes. Les travaux préliminaires réalisés dans le cadre de ce projet ont montré que ce temps de 15 minutes est suffisant et n’affecte pas les valeurs mesurées (voir un exemple de mesure dans le Tableau 3.5). Quatre mesures étaient réalisées pour chaque temps de cure et cela pendant 53 minutes. La valeur mesurée pour un temps de cure donné est la moyenne de ces quatre mesures.

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Table des matières

DÉDICACE
REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS
LISTE DES ANNEXES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Problématique
1.2 Objectifs du projet
1.3 Structure du document
1.4 Originalité et retombées de la recherche
CHAPITRE 2 TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES MATÉRIAUX POREUX
2.1 Généralités sur les remblais miniers
2.1.1 Historique
2.1.2 Principaux types de remblais
2.1.3 Composantes du remblai en pâte cimenté
2.1.4 Préparation et transport du remblai en pâte cimenté
2.1.5 Résistance en compression du remblai en pâte cimenté
2.2 Transfert de chaleur dans les matériaux poreux
2.2.1 Modes de transfert de chaleur
2.2.2 Équation de transfert de chaleur
2. 2. 3 Mesure et estimation de la conductivité thermique
2.2.4 Facteurs d’influence sur la conductivité thermique
2. 2. 5 Mesure et estimation de la capacité thermique
2.2.6 Transfert de chaleur dans le remblai
2.3 Récapitulatif et besoins de recherche
CHAPITRE 3 APPROCHES MÉTHODOLOGIQUES
3.1 Introduction
3.2 Caractérisation des résidus
3.2.1 Propriétés physiques des résidus
3.2.2 Propriétés minéralogiques
3.3 Préparation de batchs de RPCs
3.4 Étude de propriétés thermiques du RPC
3.4.1 Description de l’analyseur de propriétés thermiques KD2 Pro
3.4.2 Étude de l’évolution de propriétés thermiques durant la cure du RPC
3.5 Étude de transfert de chaleur 1D pendant la cure du RPC
3.6 Étude de transfert de chaleur 3D pendant la cure du RPC
3.7 Simulation numérique de transfert de chaleur
CHAPITRE 4 ARTICLE 1: PRELIMINARY STUDY OF THE INFLUENCE OF
TEMPERATURE AND SALINITY ON THE THERMAL PROPERTIES OF HARDENING
CEMENTED PAS TE BACKFILL
Abstract
Résumé
4.1 Introduction
4.2 Material charecterisation and methology
4.2.I Tailings and mixing water characteristics
4.2.2 Measurement ofthermal properties
4.2.3 Experimental program
4.3 Experimental results
4. 3.I Effect of curing time and temperature
4.3.2 Effect of salt concentration
4.3.3 Effect of delayed freezing
4.4 Discussion
4.5 Concluding remarks
4.6 Acknowldgement
4. 7 References
CHAPITRE 5 ARTICLE 2: MINE BACKFILLING IN PERMAFROST: CALIBRATION OF A NUMERICAL MODEL OF HEAT TRANSFER WITH LABORATORY DATA AND PREDICTION OF THERMAL CURING CONDITIONS
5 .I Abstract
5.2 Introduction
5.3 Goveming equations ofheat transfer
5.4 Materials and testing methods
5.4.I Characteristics oftailings, binder and mixing water
5.4.2 Paste tailings and CPB mixtures preparation
5.4.3 ID heat transfer tests with columns physical models
5.4.4 3D he at transfer tests with physical models
5.4. 5 Numerical mo dels with COMSOL Multiphysics ®
5. 5 Results of laboratory he at transfer tests
5.5.I ID heat transfer in columns cured at room temperature
5.5.2 ID heat transfer in insulated columns cooled at the base
5.5.3 3D heat transfer in the cooled barrel
5.6 Results ofnumerical modeling ofheat transfer
5.6.1 Input parameters, initial and boundary conditions
5.6.2 Comparison between predicted and experimental data from columns I, II and III
5.6.3 Comparison between predicted and experimental data from columns IV, V and VIllO
5.6.4 Comparison between predicted and experimental data from 3D freezing CPB
5.6.5 Application of the calibrated and validated numerical model to backfilled stopes in permafrost
5.7 Discussion
5.8 Concluding remarks
5.9 Acknowledgments
5.10 References
CHAPITRE 6 DISCUSSION GÉNÉRALE
6.1 Caractéristiques des géométries 3D utilisées dans les simulations numériques
6.2 Effet de la distance d’application de la condition aux frontières dans le pergélisol
6.3 Effet de types de roches du pergélisol
6.4 Effet de la température initiale du RPC
6.5 Effet de la température initiale du pergélisol
6.6 Effet de la géométrie du chantier
CHAPITRE 7 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
7.1 Conclusion générale
7.2 Recommandations
BIBLIOGRAPHIE