N° d’ordre

Année 2008

Thèse

Etude des transferts d'eau et de gaz

dans les géomatériaux argileux

utilisés dans les couvertures

des Installations de Stockage

de Déchets Non Dangereux (ISDND)

Présentée devant

L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Pour obtenir

Le grade de docteur Ecole doctorale

Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique de Lyon

Spécialité Génie Civil

Par

Camille BARRAL

Soutenue le 28 novembre 2008 devant la Commission d’examen

Jury MM.

Pierre Delage Président du Jury Professeur, ENPC

Gérard Didier Examinateur Chef de projet, INSAVALOR

Irini Djeran-Maigre Directrice de thèse Professeur, INSA Lyon

Jean-Marie Fleureau Rapporteur Professeur, ECP

Dominique Guyonnet Rapporteur Responsable Unité Stockage Déchets, BRGM

Mustapha Hidra Examinateur Directeur d’Agence Traitement, VEOLIA

Patrick Pierson Directeur de thèse Professeur, UJF Grenoble

Laboratoires de recherche

Laboratoire de Génie Civil et d'Ingénierie Environnementale, INSA Lyon.

Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement, Grenoble.

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INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales – Quadriennal 2007-2010

SIGLE ECOLE DOCTORALE

NOM ET COORDONNEES DU

RESPONSABLE

CHIMIE

CHIMIE DE LYON

http://sakura.cpe.fr/ED206 M. Jean Marc LANCELIN

Insa : R. GOURDON

M. Jean Marc LANCELIN

Université Claude Bernard Lyon 1 Bât CPE 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex

Tél : 04.72.43 13 95 Fax : lancelin@hikari.cpe.fr

E.E.A.

ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE

http://www.insa-lyon.fr/eea

M. Alain NICOLAS

Insa : D. BARBIER

ede2a@insa-lyon.fr Secrétariat : M. LABOUNE AM. 64.43 – Fax : 64.54

M. Alain NICOLAS

Ecole Centrale de Lyon Bâtiment H9 36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY

Tél : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17 eea@ec-lyon.fr Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN

E2M2

EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION

http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2

M. Jean-Pierre FLANDROIS

Insa : H. CHARLES

M. Jean-Pierre FLANDROIS CNRS UMR 5558

Université Claude Bernard Lyon 1 Bât G. Mendel 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex

Tél : 04.26 23 59 50 Fax 04 26 23 59 49 06 07 53 89 13 e2m2@biomserv.univ-lyon1.fr

EDIIS

INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR LA SOCIETE

http://ediis.univ-lyon1.fr

M. Alain MILLE

Secrétariat : I. BUISSON

M. Alain MILLE Université Claude Bernard Lyon 1 LIRIS - EDIIS Bâtiment Nautibus

43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72. 44 82 94 Fax 04 72 44 80 53 ediis@liris.cnrs.fr - alain.mille@liris.cnrs.fr

EDISS

INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE

Sec : Safia Boudjema M. Didier REVEL Insa : M. LAGARDE

M. Didier REVEL Hôpital Cardiologique de Lyon Bâtiment Central

28 Avenue Doyen Lépine 69500 BRON Tél : 04.72.68 49 09 Fax :04 72 35 49 16 Didier.revel@creatis.uni-lyon1.fr

Matériaux

MATERIAUX DE LYON M. Jean Marc PELLETIER

Secrétariat : C. BERNAVON 83.85

M. Jean Marc PELLETIER INSA de Lyon MATEIS

Bâtiment Blaise Pascal 7 avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cédex Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28

Jean-marc.Pelletier@insa-lyon.fr

Math IF

MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE FONDAMENTALE M. Pascal KOIRAN

Insa : G. BAYADA

M.Pascal KOIRAN Ecole Normale Supérieure de Lyon 46 allée d’Italie 69364 LYON Cédex 07 Tél : 04.72.72 84 81 Fax : 04 72 72 89 69 Pascal.koiran@ens-lyon.fr Secrétariat : Fatine Latif - latif@math.univ-lyon1.fr

MEGA

MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE M. Jean Louis GUYADER

Secrétariat : M. LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12

M. Jean Louis GUYADER INSA de Lyon

Laboratoire de Vibrations et Acoustique Bâtiment Antoine de Saint Exupéry 25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex

Tél :04.72.18.71.70 Fax : 04 72 18 87 12

mega@lva.insa-lyon.fr

ScSo

ScSo* M. BRAVARD Jean Paul

Insa : J.Y. TOUSSAINT

M. BRAVARD Jean Paul Université Lyon 2

86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07 Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48 Jean-paul.bravard@univ-lyon2.fr

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Remerciements Cette thèse a été préparée à l'INSA de Lyon au sein du Laboratoire de Génie Civil et d'Ingénierie Environnementale (LGCIE) en co-direction avec le Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE) de Grenoble. Elle a été financée par la Région Rhône-Alpes dans le cadre du Cluster Environnement et du Pôle Envirhônalp. J'ai bénéficié pour ce travail du soutien attentif et bienveillant des Professeurs Irini DJERAN-MAIGRE et Patrick PIERSON en tant que directeurs de thèse. Je leur exprime ma profonde gratitude pour tous les conseils et pour toutes les discussions constructives que nous avons eu au cours de ces trois années. Plus que leurs qualités scientifiques indiscutables, ce sont leurs qualités humaines et leur capacité d'écoute que j'ai le plus appréciées. Ma reconnaissance va aussi à M. Gérard DIDIER pour l'intérêt qu'il a toujours porté à mon travail, sa disponibilité et sa gentillesse durant ces trois années. Un grand merci également au Professeur Jean-Pierre GOURC pour m'avoir fait participer aux différents projets de recherche impliquant mon sujet. Je remercie ensuite l'ensemble du jury de thèse; le professeur Pierre DELAGE, M. Gérard DIDIER, M. Mustapha HIDRA, ainsi que le Professeur Jean-Marie FLEUREAU et M. Dominique GUYONNET, tous deux rapporteurs, qui ont eu l'amabilité de lire attentivement ce rapport. Ce travail n'aurait pas pu se réaliser sans l'implication du personnel de l'Installation de Stockage de Déchets de Chatuzange-Le-Goubet. C'est pourquoi je remercie chaleureusement M. Mustapha HIDRA, directeur du site, Mme Marianne PONS, M. Gérard BERTRAND et toute leur équipe. Un grand merci également aux agents techniques des deux laboratoires. Mention spéciale pour Yves ORENGO et Henri MORA auprès de qui j'ai toujours trouvé un appui professionnel et amical lors de tous les essais en laboratoire et sur le site. Le soutien apporté par M. Laurent OXARANGO dans l'étude théorique a permis d'ajouter un volet complémentaire à cette étude et je l'en remercie. Ma reconnaissance va également à l'ensemble des membres des deux laboratoires en général car il serait difficile ici de citer toutes les personnes qui ont contribuées à faire de ces trois années un moment agréable. Je pense aussi à tous ceux qui sont devenus mes amis: Guillaume, Olivier, Sophie, Matthias, Héraldo, Marianna, Rico, Gilles, Stéphane, Miguel… Je n'oublie pas mes parents et ma grand-mère pour leur soutien indéfectible au cours de mes années étudiantes. Enfin, je ne remercierais jamais assez Nans, mon compagnon, pour ces trois années d'encouragement et de soutien mais aussi pour sa présence toute particulière au cours de la dernière ligne droite de ce mémoire.

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Résumé Etude des transferts d'eau et de gaz dans les géomatériaux argileux utilisés dans les couvertures des Installations de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND)

La barrière d'étanchéité en couverture du massif de déchets, dans une Installation de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND), joue un rôle fondamental sur les risques de pollution de l'environnement à moyen et long terme. En effet, le complexe de couverture doit remplir de multiples fonctions: drainage des effluents gazeux et de l'eau de pluie, étanchéité, confinement des déchets, réhabilitation du site… Cette barrière doit également maintenir ses caractéristiques durant toute la durée de vie du site et ceci malgré les différentes sollicitations auxquelles elle est soumise : mécaniques, climatiques, chimiques et hydrauliques. La difficulté de cette tâche explique pourquoi, en matière de couvertures, il n’existe pas de solution unique. En effet, dans le cas des déchets ménagers et assimilés, la législation ne spécifie pas précisément la constitution des complexes de couverture. Pour faire progresser ces concepts, il est nécessaire de mieux connaître le comportement de la couverture sous les sollicitations couplées, définies précédemment.

La présente thèse étudie les transferts d'eau et de gaz dans les couvertures des Installations de Stockage de Déchets Non Dangereux, avec un suivi sur site et des essais en laboratoire. Concernant les flux hydriques le travail s'est déroulé à trois échelles différentes. Sur site ou des expérimentations à grande échelle ont été installées afin de suivre l'infiltration de l'eau de pluie dans différents complexes de couverture munis de GéoSynthétiques Bentonitiques (GSB) ainsi que l'échange cationique qui a lieu en leur sein en temps réel. En laboratoire où des essais de performances ont été menés sur les matériaux de la couverture du site afin de constituer une méthodologie pour évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture et anticiper ainsi les phénomènes qui vont altérer les caractéristiques de la couche étanche; A une échelle intermédiaire où les complexes de couverture étudiés sur le site ont été reconstitués dans des pilotes à l'échelle métrique. Ce dispositif expérimental vient en complément de l'étude menée in situ et permet de palier le manque de certaines données difficiles à atteindre lors d'expérimentations à grandes échelles de ce type. Concernant les flux de gaz et en l’absence d’essais existants adaptés à l’étude de tous les matériaux utilisés dans la barrière de couverture, le travail a consisté à mettre d’abord au point une méthode d'essai afin de déterminer la perméabilité au gaz des matériaux de couverture en régime variable basée sur le suivi de la chute de pression. L'applicabilité de cette méthode a été vérifiée expérimentalement avec les différents matériaux d'étanchéité de notre étude (argile et GSB) pour différents dispositifs expérimentaux permettant notamment un couplage avec la déformation des matériaux.

Mots-Clés: Geosynthetique Bentonitiques; Argile compactée, Installation de Stockage de Déchets; Instrumentation; Lysimetres; Conductivité hydraulique; Perméabilité au gaz; Dessiccation; Echange cationique; Déformation en flexion.

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Table des matières Table des matières...................................................................................................................... 9 Notations .................................................................................................................................. 13 Introduction générale................................................................................................................ 17

Chapitre I : Les installations de stockage de déchets..................... 21

1. Introduction ................................................................................................................... 23 2. Place des ISD parmi les différentes filières de traitement......................................... 23

2.1. Production et gestion des déchets en France.................................................... 23 2.2. Rôle de la filière enfouissement parmi les différentes filières de traitement des déchets non dangereux ................................................................................................. 29

3. Les ISD de classe II ....................................................................................................... 34 3.1. Mode d'enfouissement: concepts généraux ...................................................... 34 3.2. Barrières étanches ............................................................................................ 36

4. Conclusion...................................................................................................................... 38

Chapitre II : Présentation générale des matériaux naturels utilisés pour la mise en œuvre des barrières étanches..................... 39

1. Introduction ................................................................................................................... 41 2. L'argile ........................................................................................................................... 41

2.1. Généralités........................................................................................................ 41 2.2. La Bentonite ..................................................................................................... 43

3. Les Géosynthétiques bentonitiques (GSB).................................................................. 45 3.1. Constitution et classification des différents GSB............................................. 45 3.2. Mise en oeuvre des Géosynthétiques Bentonitiques ........................................ 46 3.3. Caractéristiques des GSB................................................................................. 48

4. Caractérisation des matériaux d'étanchéité ............................................................... 49 4.1. Essais sur les sols de couverture ...................................................................... 49 4.2. Essais sur l'argile et la bentonite ...................................................................... 51 4.3. Essais sur les Géosynthétiques bentonitiques .................................................. 53

5. Etude comparative des GSB/Argile compactée utilisés en couverture des ISD ...... 54 5.1. La mise en œuvre ............................................................................................. 55 5.2. Le comportement hydraulique ......................................................................... 55 5.3. Le comportement mécanique ........................................................................... 56

6. Conclusion...................................................................................................................... 57

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Chapitre III : Phénomènes de transfert dans ces milieux poreux non saturés…… ................................................................................ 59

1. Introduction ................................................................................................................... 61 2. Caractéristiques du milieu poreux............................................................................... 61

2.1. Poids volumique et porosité ............................................................................. 61 2.2. Teneur en eau et saturation............................................................................... 62

3. Mécanismes des transferts de masse dans un milieu poreux .................................... 62 3.1. Les différents modes de transferts de masse .................................................... 62 3.2. Equation différentielle gouvernant les phénomènes de transfert ..................... 65 3.3. Importance relative des différents mécanismes de transfert ............................ 65 3.4. La loi de Darcy................................................................................................. 66

4. Perméabilité du milieu poreux ..................................................................................... 69 4.1. Perméabilités effectives.................................................................................... 69 4.2. Perméabilité intrinsèque................................................................................... 70 4.3. Perméabilités relatives...................................................................................... 71

5. Facteurs affectant la perméabilité des sols fins .......................................................... 72 5.1. Température ..................................................................................................... 72 5.2. La porosité........................................................................................................ 74 5.3. Taille des mottes............................................................................................... 74

6. Calcul de l'équivalence entre barrières de conception différentes ........................... 74 7. Conclusion...................................................................................................................... 76

Chapitre IV : Caractérisation des propriétés d'étanchéité et de vieillissement des matériaux de couverture..................................... 77

1. Introduction ................................................................................................................... 79 2. En laboratoire................................................................................................................ 79

2.1. Etudes et essais concernant la perméabilité à l'eau des matériaux d'étanchéité en laboratoire................................................................................................................ 79 2.2. Etudes et essais concernant la perméabilité au gaz des matériaux d'étanchéité en laboratoire................................................................................................................ 90

3. In situ.............................................................................................................................. 98 3.1. Etudes in situ des écoulements au sein des GSB utilisés en couverture d'ISD.98

4. In situ et en laboratoire............................................................................................... 100 4.1. Etudes in situ et en laboratoire des écoulements au sein des GSB utilisés en couverture d'ISD......................................................................................................... 100

5. Conclusion sur l'étude des travaux antérieurs et perspectives pour notre étude.......................................................................................................................................... 103

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Chapitre V : Instrumentation in situ, Expérimentations et Résultats…….................................................................................. 105

1. Introduction ................................................................................................................. 107 2. Etude in situ des transferts de masses dans la barrière étanche: Instrumentation de la couverture .......................................................................................... 107

2.1. Présentation du site pilote .............................................................................. 107 2.2. Expérimentation in situ .................................................................................. 114

3. Caractérisation en laboratoire des matériaux constitutifs de la couverture ......... 133 3.1. Essais sur les sols de couverture .................................................................... 133 3.2. Essais sur les Géosynthétiques bentonitiques ................................................ 145

4. Résultats expérimentaux............................................................................................. 155 4.1. Eau récoltée dans les lysimètres..................................................................... 155 4.2. Analyse cationique ......................................................................................... 165 4.3. Températures.................................................................................................. 168 4.4. Humidité du sol .............................................................................................. 170 4.5. Essais dans les chambres à flux...................................................................... 171 4.6. Tassements ..................................................................................................... 173

5. Conclusion.................................................................................................................... 173

Chapitre VI : Etude en laboratoire du transfert hydrique dans les géosynthétiques bentonitiques................................................. 175

1. Introduction ................................................................................................................. 177 2. Description de l'oedoperméamètre ............................................................................ 177

2.1. Appareillage ................................................................................................... 177 2.2. Etalonnage de la bouteille de Mariotte...........................................................179 2.3. Contrainte de confinement ............................................................................. 180

3. Perméabilité à l'eau en régime permanent ............................................................... 180 3.1. Préparation et mise en place des éprouvettes ................................................. 180 3.2. Mode opératoire ............................................................................................. 182 3.3. Cinétique de gonflement ................................................................................ 182 3.4. Cinétique d'absorption.................................................................................... 184 3.5. Perméabilité à l'eau......................................................................................... 186

4. Perméabilité à l'eau en régime variable .................................................................... 189 4.1. Mode opératoire ............................................................................................. 190 4.2. Mesure du volume d'eau contenu dans le système à saturation ..................... 190 4.3. Détermination du coefficient de compressibilité ........................................... 190 4.4. Pulse test et calcul de la perméabilité............................................................. 191

5. Essais de performance ................................................................................................ 193 5.1. Programme expérimental ............................................................................... 193 5.2. GSB pré-hydratés avec une solution de NaCl................................................ 194 5.3. GSB hydratés directement avec le percolat issu du bicouche "tout venant + terre végétale"............................................................................................................. 195 5.4. GSB hydratés directement avec le percolat issu du bicouche "sol calcaire + terre végétale"............................................................................................................. 196 5.5. Bilan des perméabilités à l'eau ....................................................................... 198

6. Conclusion.................................................................................................................... 202

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Chapitre VII : Etude en laboratoire du transfert de gaz dans les matériaux d'étanchéité .................................................................. 203

1. Introduction ................................................................................................................. 205 2. Base théorique simplifiée du test de la chute de pression........................................ 205 3. Perméabilité au gaz des GSB non déformés ............................................................. 209

3.1. Mode opératoire ............................................................................................. 209 4. Perméabilité au gaz des GSB et de l'argile déformée.............................................. 214

4.1. Présentation de l'essai: appareillage et mode opératoire ................................ 214 4.2. Essais sur des échantillons de GSB................................................................ 215 4.3. Essais sur des éprouvettes d'argile ................................................................. 217

5. Essais de perméabilité au gaz d'éprouvettes parallélépipédiques d'argile soumis à une flexion ................................................................................................................ 224

5.1. Présentation de l'essai: appareillage et mode opératoire ................................ 224 5.2. Préparation des éprouvettes............................................................................ 228 5.3. Essais préliminaires........................................................................................ 229 5.4. Perméabilité des éprouvettes d'argile intactes................................................ 231 5.5. Perméabilité des éprouvettes d'argile fléchies................................................ 235

6. Validation de l'approche théorique simplifiée.......................................................... 243 6.1. Avec le calcul de δ ......................................................................................... 243 6.2. Avec l'aide d'un outil numérique.................................................................... 244

7. Conclusion.................................................................................................................... 248

Chapitre VIII : Casiers pilotes: l'échelle intermédiaire................. 249

1. Introduction ................................................................................................................. 251 2. Principe ........................................................................................................................ 251

2.1. Description des pilotes ................................................................................... 251 2.2. Objectifs des essais en pilotes ........................................................................ 252

3. Mise en place................................................................................................................ 253 3.1. 1ère phase : préparation des bacs en dehors de la plateforme expérimentale 253 3.2. 2ème phase : Installation des pilotes sur la plateforme.................................. 254

4. Paramètres suivis lors de la mise en place du dispositif expérimental ................... 257 4.1. Pente ............................................................................................................... 258 4.2. Compactage des matériaux............................................................................. 258

5. Résultats ....................................................................................................................... 260 5.1. Suivi des flux hydriques................................................................................. 260 5.2. Suivi de l'humidité.......................................................................................... 262

6. Conclusion.................................................................................................................... 264 Conclusion générale ............................................................................................................... 267 Références Bibliographiques.................................................................................................. 271

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Notations (par ordre d'apparition dans le texte)

γd poids volumique sec [N/m3] Ps poids de la phase solide [N] V volume total [m3] ε porosité [sans dimension] VV volume des vides [m

3] w teneur en eau massique [%] Mw masse d'eau [kg] Md masse de matériau sec [kg] Sr degré de saturation d'un matériau [sans dimension] Vw volume d'eau contenu dans le matériau [m3] f flux massique [kg.m-2.s-1] va vitesse d' infiltration [m/s] C masse de matière par unité de volume du fluide [kg/m3] v vitesse d'infiltration du milieu poreux[m/s] λ libre parcours moyen des molécules de gaz [m] λp rayon des pores [m] rp rayon des particules [m] kB constante de Boltzmann [1.38066×10-23 J/K] T température [K] P pression [Pa] d diamètre des molécules [m] Ji flux de matière de l'élément i [kg.m-2.s-1] De coefficient de diffusion [m2/s] Dm coefficient de dispersion mécanique [m2/s] D coefficient de dispersion hydrodynamique [m2/s] q débit d'infiltration [m3/s] i gradient hydraulique [sans dimension] A section de l'élément testé [m2] dhf perte de charge du fluide au travers de l'élément de sol testé [m] dl longueur de l'élément de sol testé [m] Kf conductivité hydraulique du milieu poreux au fluide testé [m/s] z côte du point [m] γf poids volumique du fluide [kg.m-3] dhf perte de charge correspondant à un trajet des particules de longueur dl [m] ki perméabilité intrinsèque [m2] ρf masse volumique du fluide [kg/m3] ηf viscosité dynamique du fluide [kg.m-1.s-1] kew coefficient de perméabilité effectif à l’eau du matériau [m2] ηw viscosité dynamique de l’eau [kg.m-1.s-1]

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keg coefficient de perméabilité effectif au gaz du matériau [m2] ηg viscosité dynamique du gaz [Pa.s ou kg.m-1.s-1] ki perméabilité intrinsèque du milieu [m2] kv coefficient de perméabilité au gaz pour une pression infinie [m2] b coefficient de Klinkenberg, coefficient représentant le glissement [Pa] Pm pression moyenne [Pa] Se saturation effective [sans dimension] Srw saturation résiduelle en eau [sans dimension] ng nombre de molécules de gaz [sans dimension] ρg masse volumique du gaz [kg/m3]

v vitesse moyenne des molécules de gaz [m/s] kT perméabilité la température T (°C) [m2] bη coefficient calculé à partir des valeurs de viscosité de l'eau à 20°C et à la température T(°C) [sans dimension] ηT viscosité dynamique à la température T (°C) [kg.m-1.s-1] S0 surface de contact avec le fluide prise égale à la surface spécifique des grains [m2] Tr constante représentant un facteur de tortuosité c coefficient de forme des pores C* concentration moyenne à l'aplomb de la source [kg/m3] C0 concentration à la source [kg/m3] E épaisseur totale des couches situées au dessus de l'aquifère [m] L largeur de la zone polluée dans la direction de l'écoulement des eaux souterraines ε(z) porosité à la profondeur z [m] D(z) coefficient de diffusion-dispersion à la profondeur z [m2/s] H épaisseur de la couche de mélange dans l'aquifère [m] MM molarité totale des cations monovalents [mol/L] MD molarité totale des cations divalents [mol/L] M masse molaire du gaz [kg/mol] R constante des gaz parfait [8,314 J.mol-1.K-1] n nombre de moles [mol] Z hauteur de l’éprouvette considérée [m] Pe pression absolue du gaz en entrée du perméamètre [Pa] Ps pression absolue du gaz en sortie du perméamètre [Pa] qe débit volumique d’entrée [m3/s] Patm pression atmosphérique [Pa] V volume de la chambre [m3] G accélération de la pesanteur [9,81 m/s2] Pm pression moyenne des pressions maximale et minimale [Pa] h hauteur totale de l'éprouvette bicouche [m] α coefficient de fractionnement [sans dimension] Ke conductivité hydraulique effective [m/s] εe porosité effective [sans dimension] Lc épaisseur de la couverture [m] PGSB sous pression exercée sur le GSB par l'application d'une charge hydraulique [Pa] AGSB surface de l'éprouvette de GSB [m2] PPiston pression exercée sur le piston par l’application d'une pression d'air [Pa] ∆e gonflement de l'éprouvette [m] tx temps correspondant à x % du gonflement pour un temps infini [s] F flux au travers du GSB [m3.m-2.s-1] ef épaisseur finale de l’éprouvette de GSB [m]

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Hinitial hauteur initiale de l'éprouvette [m] Ma masse surfacique de bentonite [kg/m2] ρw masse volumique de l’eau [kg/m3] Cobs coefficient de compressibilité [Pa-1] VW volume d’eau dans le système [m3] V T volume infiltré cumulé [m3] L longueur de l'éprouvette considérée[m] l largeur de l'éprouvette considérée [m] wnat teneur en eau naturelle [%] wopn teneur en eau à l'optimum proctor [%] S degré de saturation en eau [sans dimension] Fa force appliquée sur l'éprouvette [N] Fi force à l’initiation de la fissure [N] fi flèche à l’initiation de la fissure [m]

εi déformation de la fibre tendue à l’initiation de la fissure [%]

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Introduction générale Contexte de l'étude Le stockage des déchets est encore de nos jours la voie principale de traitement des déchets ménagers en France. De plus comme le stockage constitue le maillon ultime de toute la filière de traitement des déchets, les Installations de Stockage de Déchets (ISD) sont et resteront indispensables dans le futur même si les différentes filières de tri, recyclage et compostage sont optimisés au maximum. Les ISD sont aujourd'hui des unités de traitement soumises à une réglementation très stricte où le confinement des déchets est réalisé grâce à des structures d'étanchéité-drainage dont le rôle est de limiter les transferts de polluants vers le milieu environnant. La barrière d'étanchéité en couverture du massif de déchets joue un rôle fondamental sur les risques de pollution de l'environnement à moyen et long terme. En effet, le complexe de couverture doit remplir de multiples fonctions telles que le drainage des effluents gazeux et de l'eau de pluie, l'étanchéité du casier afin de limiter les infiltrations d’eaux pluviales dans le massif de déchets et de réduire les fuites de biogaz dans l'atmosphère; le confinement des déchets; la réhabilitation du site… Cette barrière doit également maintenir ses caractéristiques durant toute la durée de vie du site ainsi que durant la période de post-exploitation de trente ans afin de garantir la protection de l'environnement. Ceci malgré les différentes sollicitations auxquelles elle est soumise : mécaniques, climatiques, chimiques et hydrauliques. La difficulté de cette tâche explique pourquoi, en matière de couvertures, il n’existe pas de solution unique. En effet, dans le cas des déchets ménagers et assimilés, la législation ne spécifie pas précisément la constitution des complexes de couverture. Le guide technique associé à l'arrêté du 09 septembre 1997 précise le concept de couverture pour les casiers contenant des déchets non dangereux. En effet, celle-ci doit être notamment constituée d'un écran semi-perméable réalisé par des matériaux naturels argileux remaniés et compactés sur une épaisseur d'au moins un mètre, ou tout autre dispositif équivalent assurant la même efficacité. La couche d’étanchéité de la couverture est réalisé traditionnellement en utilisant des matériaux naturels argileux (argiles seules ou traitées par bentonite) qui sont compactés afin de réduire leur perméabilité ou composites (géomembranes, géosynthétiques bentonitiques: GSB). Par conséquent, l'amélioration de la gestion des installations de stockage passe par une étude complète de ces barrières étanches en couverture afin de maîtriser les quantités de flux entrant et optimiser la dégradation des déchets. Il est notamment nécessaire de mieux connaître le

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comportement des matériaux d'étanchéité constituant la couverture sous les sollicitations couplées, définies précédemment. Bien qu'un nombre important d'études en laboratoire et d'études in situ ait été mené sur les matériaux d'étanchéité dans les barrières d'ISD très peu d'études ont été menées avec un couplage entre le suivi des écoulements in situ et les essais de laboratoire. En effet, les études en laboratoire se sont attachées à déterminer l'influence des paramètres liés aux conditions initiales du matériau mis en place (par exemple dans le cas des géosynthétiques bentonitiques : la pression de confinement, les conditions de pré-hydratation ou encore la qualité initiale de la bentonite), ou bien celle des paramètres liés aux conditions ambiantes auxquelles le matériau est soumis sur un site au cours du temps (les cycles de dessiccation/humidification, gel/dégel, l'échange cationique). Mais les études en laboratoire sur des petits échantillons sont souvent éloignées des contraintes réelles observées in situ sur les GSB par exemple. A l'opposé, les études in situ qui permettent le suivi des différents écoulements au cours du temps sont longues et ne permettent pas d'avoir une connaissance parfaite de l'état du complexe au cours des essais. D'autre part, il existe peu d'informations sur la capacité des matériaux d'étanchéité à contrôler les flux de biogaz engendrés par la dégradation des déchets. En effet, les études effectuées en régime permanent de gaz présentent des difficultés lors des essais en laboratoire, notamment avec les matériaux saturés. Par ailleurs, les études effectuées in situ s'avèrent elles aussi très compliquées à cause de leur grande échelle et des durées des expériences. Pourtant l'étude de l'échange gazeux entre la couverture et le milieu environnant parait essentielle notamment en cas de fissurations issues du tassement différentiel des déchets ou du processus de dessiccation, les principaux responsables de l'endommagement des barrières. Objectifs de la thèse Dans le cadre du Cluster Région Environnement Rhône-Alpin et du pôle Envirhônalp, les laboratoires de recherche LGCIE (Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale) de l’INSA de Lyon et le LTHE (Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement) de Grenoble ont mis en place une plate-forme régionale d’étude du comportement d’un site pilote (CSDU à Chatuzanges dans la Drôme), tenant compte de l’évolution des déchets (fonction notamment de la méthode d’exploitation) et des matériaux constitutifs des barrières. La présente thèse, en grande partie financée par la région Rhône-Alpes, s’inscrit dans ce cadre, en ciblant l’étude sur les transferts d'eau et de gaz dans les couvertures des Installations de Stockage de Déchets Non Dangereux, avec un suivi sur site et des essais en laboratoire. L'originalité du travail effectué réside notamment dans l'étude multi-échelle des phénomènes ayant lieu au sein des couvertures d'ISD. Concernant les flux hydriques le travail s'est déroulé à trois échelles différentes:

• sur site ou des expérimentations à grande échelle ont été installées afin de suivre l'infiltration de l'eau de pluie dans différents complexes de couverture munis de géosynthétiques bentonitiques ainsi que l'échange cationique qui a lieu en leur sein en temps réel;

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• en laboratoire où des essais de performances ont été menés sur les matériaux de la

couverture du site afin de constituer une méthodologie pour évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture et anticiper ainsi les phénomènes qui vont altérer les caractéristiques de la couche étanche;

• à une échelle intermédiaire où les complexes de couverture étudiés sur le site ont été

reconstitués dans des pilotes à l'échelle métrique. Ce dispositif expérimental vient en complément de l'étude menée in situ et permet de palier au manque de certaines données difficiles à atteindre lors d'expérimentations à grandes échelles de ce type.

Concernant les flux de gaz et en l’absence d’essais existants adaptés à l’étude de tous les matériaux utilisés dans la barrière de couverture, le travail a consisté à mettre d’abord au point une méthode d'essai afin de déterminer la perméabilité au gaz des matériaux de couverture en régime variable basée sur le suivi de la chute de pression. Les objectifs principaux sont les suivants:

• développer une méthode permettant la détermination du coefficient de perméabilité en régime variable à partir d'équations simplifiées du transfert du gaz au travers du matériau d'étanchéité;

• vérifier expérimentalement l'applicabilité de cette méthode aux différents matériaux

d'étanchéité de notre étude (argile et GSB) pour différents dispositifs expérimentaux; • évaluer l'effet couplé de la déformation en flexion sur la perméabilité au gaz des

matériaux d'étanchéité. Organisation du mémoire de thèse Ce mémoire de thèse est organisé en huit chapitres. Le premier chapitre présente le contexte général de l'étude et ses enjeux. Il permet de définir les différentes filières de traitement des déchets présentées à travers les textes législatifs français et européens ainsi que la place de la filière stockage grâce à un bilan de la production et de la gestion des déchets ménagers en France. Une dernière partie s'attache à définir dans le détail les Installations de Stockage de Déchets ainsi que les barrières mises en œuvre afin de préserver l'environnement. Le chapitre II présente les matériaux naturels argileux utilisés dans les couvertures pour répondre aux exigences règlementaires. Les propriétés physiques et chimiques de ces matériaux d'étanchéité sont détaillées lors d'un passage en revue des essais habituellement effectués sur ces matériaux. Une étude bibliographique comparative entre l'argile compactée et les géosynthétiques bentonitiques utilisés en couverture des ISD est également effectuée. Le chapitre III présente les principaux modes du transfert d'eau et de gaz au travers de barrières argileuses qui sont des milieux poreux non saturés. La loi de Darcy, à la base de tous les calculs de perméabilité pour un écoulement advectif, est ensuite détaillée et ses limites

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étudiées. Les notions de perméabilité effective, intrinsèque et relative sont ensuite définies et les facteurs affectant ces perméabilités discutés. Finalement l'argile compactée et les géosynthétiques bentonitiques sont à nouveau comparés grâce au calcul de l'équivalence entre barrières de conception différentes. Le chapitre IV est une synthèse sur la caractérisation des propriétés d’étanchéité et vieillissement de la barrière notamment sa perméabilité à l'eau et au gaz. L'étude bibliographique présentée ici passe donc en revue successivement les essais en laboratoire et les essais sur site. Le chapitre V constitue l'apport réalisé par la thèse dans le cadre de la plate-forme régionale CSDU puisqu'il présente la mise en place et le suivi d'expérimentations in situ permettant l'étude du comportement hydrique de plusieurs configurations de couverture munies de GSB. Cette étude in situ est complétée par une caractérisation complète en laboratoire des matériaux constituants ces couvertures. Le chapitre VI présente le travail expérimental effectué en laboratoire sur le transfert hydrique dans les GSB. Les essais de performance effectués sur les matériaux issus du site soumis aux mêmes contraintes que celles rencontrées sur le site, permettent d'évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture. Les résultats obtenus sont comparés à ceux de la littérature, obtenus pour les barrières en fond de casier. Le chapitre VII décrit le travail expérimental mené sur le transport advectif de gaz en régime transitoire au travers des matériaux argileux. Une expression simplifiée décrivant l'écoulement isotherme d'un gaz compressible au travers d'éprouvettes de matériaux a été développée et une solution analytique de cette équation simplifiée permet ensuite de déterminer le coefficient de perméabilité effectif au gaz des éprouvettes. Les dispositifs expérimentaux conçus ainsi que les procédures d'essai sont également présentés. Les résultats obtenus pour les GSB sont comparés à ceux obtenus en régime stationnaire. Le dernier chapitre présente les expérimentations menées une échelle intermédiaire entre le laboratoire et le site. Le principe expérimental, la mise en place de l'instrumentation et les premiers résultats sont présentés. La conclusion rappelle les principaux résultats de ce travail de recherche et propose quelques suggestions pour les recherches futures

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Chapitre I :

Les installations de stockage de déchets

22

23

1. Introduction

Ce premier chapitre présente le contexte général de l'étude et ses enjeux et permet de définir les concepts et les termes qui seront utilisés tout au long de la thèse. En première partie les notions de déchets, ainsi que les différentes filières de traitement des déchets sont présentées à travers les textes législatifs français et européens. Le bilan de la production des déchets ménagers en France et de leur gestion est ensuite dressé. Une dernière partie s'attache à définir dans le détail les Installation de Stockage de Déchets et les dispositifs d'étanchéités mis en œuvre afin de préserver l'environnement.

2. Place des ISD parmi les différentes filières de traitement

2.1. Production et gestion des déchets en France

2.1.1 Historique des dispositions législatives et règlementaires françaises La législation sur les déchets fixe les règles applicables en matière de collecte, de traitement, et de financement des déchets ménagers et industriels. Il fixe aussi les obligations et les responsabilités de chacun des intervenants dans le circuit d'élimination. L'influence du droit communautaire se fait largement sentir sur la politique nationale française de gestion des déchets; de nombreux règlements résultent de directives européennes. Le texte de base est la directive communautaire du 15 juillet 1975 (75/442/CEE) relative aux déchets qui définit le déchet comme: "toute substance ou objet dont le détenteur se défait ou dont il a l'obligation de se défaire en vertu des dispositions nationales en vigueur." Cette directive qui est centrée sur une harmonisation des politiques des états membres sur la protection de l'homme et de l'environnement, fixe le cadre général de la règlementation communautaire des déchets. En droit interne, le texte de référence est la loi n°75-633 du 15 juillet 1975 relative à l'élimination des déchets et à la récupération des matériaux, codifiée aux articles L 541-1 et suivants du code de l'environnement. Cette loi qui était d'emblée relativement complète définit un déchet comme: "tout résidu d'un processus de production, de transformation, ou d'utilisation, toute substance, matériau, produit ou plus généralement tout bien meuble abandonné, ou que son détenteur destine à l'abandon." De plus, cette loi pose un certain nombre de dispositions: - elle instaure la responsabilité des communes ou des groupements de communes pour la collecte et l'élimination des déchets des ménages - elle définit les priorités de gestion des déchets: réduction de la quantité, valorisation puis traitement et stockage - elle permet aux communes de créer une redevance spéciale pour les déchets - elle crée l'Agence Nationale pour la Récupération et l'Elimination des Déchets (ANRED) qui deviendra plus tard l'Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME).

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La loi n°92-646 du 13 juillet 1992 relative à l'élimination des déchets ainsi qu'aux Installations Classées pour la Protection de l'Environnement (ICPE) renforce la loi de 1975. Ce texte législatif majeur énonce trois définitions officielles: - la valorisation des déchets est le "réemploi, recyclage, ou tout autre action visant à obtenir, à partir des déchets, les matériaux réutilisables ou de l'énergie" - les déchets industriels spéciaux sont des "déchets qui, en raison de leurs propriétés dangereuses, figurent sur une liste fixée par décret et ne peuvent pas être déposés dans les installations de stockage recevant d'autres catégories de déchets" - un déchet ultime est un "déchet résultant ou non d'un traitement d'un déchet et qui n'est plus susceptible d'être traité dans les conditions techniques et économiques du moment, notamment par extraction de la part valorisable ou part réduction de son caractère polluant et dangereux". Cette définition est, par nature, instable dans le temps. La loi ébauche une gestion en amont du déchet puisqu'elle exige une réduction de la production, de la nocivité et du transport des déchets, elle prévoit aussi une meilleure information du public et la remise en état des sites d'élimination, elle rend obligatoire, sous l'autorité des préfets, la création de plans départementaux ou interdépartementaux d'élimination et elle instaure une taxe de mise en décharge gérée par l'ADEME pour financer des installations intercommunales de recyclage et de traitement. Finalement la loi du 13 juillet 1992 établit un objectif ambitieux en fixant une échéance rigoureuse: le 1er juillet 2002, date limite au-delà de laquelle seront admis en décharge uniquement les déchets ultimes. Ces textes sont complétés par le décret n°2002-540 du 18 avril 2002, relatif à la classification des déchets et à la détermination de leur caractère dangereux ou non. Ce décret transpose en droit français la directive européenne du 3 mai 2000 (2000/532/CE) établissant une classification des déchets et déterminant leur degrés de dangerosité, directive modifiée par les décisions de la commission du 16 janvier 2001 (2001/118/CE), du 22 janvier 2001 (2001/119/CE) et du 23 juillet 2001 (2001/573/CE). Au final, la directive 2006/12/CE du parlement européen et du conseil du 5 avril 2006 relative aux déchets annule la directive du 15 juillet 1975. La législation française est aussi pourvue de lois propres à la gestion des déchets ménagers et assimilés. La circulaire du 18 mai 1977 relative au service d'élimination des déchets des ménages qui précise la loi du 15 juillet 1975, fait la distinction entre les ordures ménagères, les déchets volumineux ou encombrants, les déchets d'origine commerciale, artisanale ou industrielle qui peuvent être éliminés avec les ordures ménagères et les déchets ménagers spéciaux. Le code général des collectivités territoriales (art. L 2313-1, L 2224-13 à L 2224-17, L 2333-76 et L 2333-78 modifiés par la loi n° 2004-1495 du 30 décembre 2004) stipule que les déchets ménagers et assimilés sont des déchets qui en raison de leurs caractéristiques et des quantités produites peuvent être collectés sans sujétions techniques particulières; leur élimination relève de la responsabilité des communes en liaison avec les plans départementaux et régionaux (art. L 441-13 à 541-15 code de l'environnement). On distingue trois principaux modes d'élimination des déchets ménagers:

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2.1.1.1 Le stockage

Celui-ci est réalisé dans des Installations de Stockage de Déchets (ISD) de classe II règlementées par l'arrêté du 9 septembre 1997. Les dispositions de cet arrêté concernent l'admission des déchets (les déchets liquides ou dangereux, les déchets d'emballage et les pneumatiques sont notamment interdits) et les règles générales d'exploitation; plusieurs prescriptions sont fixées concernant les normes d'émissions (lixiviats, biogaz), la localisation et l'aménagement du site, et le suivi post-exploitation. Cet arrêté a été modifié par plusieurs circulaires afin de transposer les directives européennes (notamment la Circulaire DPPR/SDPD/BPGS/LB n° 000870 du 4 juillet 2002 relative aux installations de stockage de déchets ménagers et assimilés et la Circulaire n° DPPR/SDPD3/DB 060535 du 6 juin 2006 relative aux Installations de Stockage de Déchets non dangereux). La directive du 28 avril 1998 du ministre de l'environnement (circulaire Voynet) sur la mise en œuvre et l'évolution des plans départementaux d'élimination des déchets ménagers et assimilés précise la définition du déchet "ultime" qui sera le seul admis dans les ISD à partir du 1er juillet 2002. Le déchet ultime a maintenant une acception plus souple: il n'est pas réduit aux résidus seuls de l'incinération mais doit au minimum avoir subi une extraction par collectes séparatives ou par tris:

• des matériaux (verres, papiers-cartons, plastiques, ...) en vue de leur recyclage; • de leur fraction fermentescible ou biodégradable en vue de leur traitement biologique

(compostage, méthanisation) ou de l'épandage agricole; • des produits usagés faisant l'objet d'une élimination dédiée : véhicules hors d'usage,

huiles de vidange, vêtements, piles et accumulateurs...

Plus récemment l'arrêté du 19 janvier 2006 modifiant l'arrêté du 9 septembre 1997 relatif aux installations de stockage de déchets ménagers et assimilés a remplacé le terme "déchets ménagers et assimilés" par "déchets non dangereux"; les installations de stockage de déchets ménagers et assimilés sont alors devenus des "installations de stockage de déchets non dangereux".

Au niveau européen, la Directive n° 1999/31/CE du 26 avril 1999 concernant la mise en décharge des déchets a pour objet de prévoir des mesures et des procédures visant à prévenir ou à réduire les effets négatifs de la mise en décharge des déchets sur l'environnement et notamment la pollution des eaux de surface, des eaux souterraines, du sol et de l'air, et sur l'environnement de la planète, y compris l'effet de serre, ainsi que les risques qui en résultent pour la santé humaine, pendant toute la durée de vie de la décharge. Les Etats membres ont l'obligation de définir une stratégie nationale afin de mettre en oeuvre la réduction des déchets biodégradables mis en décharge, notamment grâce au recyclage, au compostage, à la production de biogaz ou à la valorisation énergétique des matériaux.

2.1.1.2 L'incinération

L'incinération des déchets ménagers s'effectue dans des Unités d'Incinération des Ordures Ménagères (UIOM) définies par l'arrêté du 20 septembre 2002 relatif aux installations d'incinération et de co-incinération de déchets non dangereux et aux installations incinérant des déchets d'activités de soins à risques infectieux comme: "tout équipement ou unité technique fixe ou mobile destiné spécifiquement au traitement thermique de déchets, avec ou sans récupération de la chaleur produite par la combustion. Le traitement thermique comprend l'incinération par oxydation ou tout autre procédé de traitement thermique, tel que

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la pyrolyse, la gazéification ou le traitement plasmatique." Les installations doivent être conçues afin de permettre un niveau d'incinération aussi complet que possible tout en limitant les émissions dans l'environnement, notamment par la mise en oeuvre de technologies propres et l'utilisation de techniques de valorisation et de traitement des effluents et des déchets produits. La chaleur produite par les installations d'incinération est valorisée lorsque cela est faisable, notamment par la production de chaleur et/ou d'électricité, la production de vapeur à usage industriel ou l'alimentation d'un réseau de chaleur.

2.1.1.3 La valorisation matière

La circulaire du 28 avril 1998 relative à la mise en oeuvre et l'évolution des plans départementaux d'élimination des déchets ménagers et assimilés engage une réorientation des plans départementaux de façon à intégrer davantage de recyclage matière et organique et, ainsi, limiter le recours à l'incinération et au stockage. Ces orientations visent à redonner à la politique de prévention et de valorisation la place qu'il convient, notamment par rapport aux filières de traitement. L'objectif national retenu à terme est que la moitié de la production des déchets ménagers soit collectée pour récupérer des matériaux (verre, acier, papier-carton, plastique, ...) en vue de leur réutilisation, de leur recyclage, pour un traitement biologique (compostage, méthanisation) ou pour l'épandage agricole.

2.1.2 La production de déchets en France Les données de l’ADEME indiquent une production globale de 849 millions de tonnes de déchets par an (ADEME 2007). En considérant les différentes sources de déchets, on obtient la répartition suivante (Table. I-1) (Fig. I-1) :

Production française de déchets (2004) millions de tonnes Déchets des collectivités 14 Déchets des ménages 28 Déchets des entreprises 90 Déchets de l'agriculture et de la sylviculture 374 Déchets d'activité de soins 0.2 Déchets du BTP 343

Table. I -1

Production française annuelle de déchets. Source ADEME 2007

Données issues d'enquêtes, d'études ou d'estimations produites entre 1995 et 2006.

La production de déchets dans l’industrie fait la distinction entre trois catégories :

• Les déchets banals des entreprises ou déchets industriels banals ou encore déchets industriels non dangereux, 90 millions de tonnes par an en majorité recyclables, qui peuvent donc suivre les mêmes filières que les déchets ménagers;

• les déchets industriels spéciaux ou dangereux ayant des filières de traitement spécialisées (environ 9 millions de tonnes par an: 6 millions de tonnes issus des entreprises et 3 millions de tonnes du BTP);

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• les déchets de chantiers de travaux publics et de la construction ; 340 millions en grande majorité inertes. Une grande partie de ces déchets est prise en charge par l’industrie qui assure son recyclage grâce à l’utilisation de matières premières secondaires.

Le gisement le plus important est celui des déchets agricoles produit par l’agriculture, l’élevage et l’exploitation forestière. La production de déchets est estimée à environ 374 millions de tonnes. La majeure partie de ces déchets (notamment les déjections animales) est valorisée au sein des exploitations par retour au sol.

Déchets d'activité de soins

0%

Déchets du BTP40%

Déchets des collectivités

2%

Déchets des ménages

3%Déchets des entreprises

11%

Déchets de l'agriculture et de la

silviculture44%

Fig. I -1

Part des différents secteurs dans la production annuelle de déchets en France en 2004. Source ADEME 2007

Les déchets ménagers et assimilés ou déchets non dangereux sont constitués des déchets des ménages et des déchets dits "assimilés aux déchets ménagers" (Fig. I-2) (ADEME 2006). Les déchets des ménages représentent une production d'environ 1kg/hab/jour soit un total annuel égal à 22 millions de tonnes. Ces déchets sont collectés par les services de la voirie majoritairement de manière sélective. Dans les grands centres urbains, les déchets ménagers englobent aussi les déchets municipaux qui sont les déchets provenant du nettoiement des espaces publics, de l’entretien des espaces verts et des boues provenant de la gestion de l’eau. Ces déchets représentent annuellement environ 20 millions de tonnes. Les déchets dits "assimilés" sont les déchets issus des commerces, de l'artisanat et des bureaux qui sont collectés comme les déchets des ménages.

28

Ordures ménagères54%

Non précisé12%

Déchets des collectivités

(Déchets verts, voirie et marchés)

5%

Déchets issus de l'élimination des

déchets6%

Déchets d'entreprise

collectés avec les OM

23%

Fig. I -2

Les déchets ménagers et assimilés en 2006. Source ADEME 2006

En 2004 les déchets ménagers et assimilés représentaient 46,5 millions de tonnes. Bien que ce chiffre fut en augmentation constante depuis 1960 on constate depuis 2002 l'apparition d'une stabilisation voire même d'un léger recul de la production (Fig. I-3).

200

250

300

350

400

450

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Ord

ures

mén

agèr

es (

kg/h

ab/a

n)

Orduresménagèrescollectées

Fraction enprovenantdes ménages

Fig. I -3

Evolution de la production annuelle des déchets entre 1995 et 2004.

Source Ademe 2004

La composition des déchets ménagers et assimilés varie en fonction du secteur géographique de la collecte, mais, en moyenne on trouve 1/3 de teneur en eau ; 1/3 de matière combustible

29

et 1/3 d’inertes. La figure (Fig. I-4) représente la composition moyenne des déchets des ménages.

Déchets putrécibles

30%

Cartons9%

Complexes1%Papiers

16%

Textiles sanitaires3% Textiles

3%

Plastiques11%

Combustibles non classés

3%

Métaux4%

Verres13%

Déchets ménagers spéciaux

0%

Incombustibles non classés

7%

Fig. I -4

Composition moyenne nationale des déchets ménagers en 2007 (% de la masse humide). Source Ademe 2007

La catégorie "complexes" représente les déchets composés de différents matériaux intimement liés tels que les briques alimentaires (composées d'aluminium, de papier et de carton) ou encore les emballages de café et de biscuits d'apéritif (composés de plastique et d'aluminium). La catégorie "combustibles non classés" regroupe les ossements, les déchets du bois, du cuir et du caoutchouc; Enfin la catégorie "incombustibles non classés" comprend les gravats, porcelaine, poteries, pierres et coquillages. On remarque que le papier, le carton, le verre et le plastique représentent près de la moitié des ordures ménagères en France; facilement identifiables et valorisables, ils ont été les premiers à faire l'objet d'une collecte sélective.

2.2. Rôle de la filière enfouissement parmi les différentes filières de traitement des déchets non dangereux

2.2.1 Les filières de traitement des déchets non dangereux Compte tenu de la large répartition des sources de déchets, la gestion des déchets à partir des gisements ne peut être simple. Tout un ensemble de techniques et de filières suivant l’évolution du déchet depuis la collecte jusqu’à des traitements spécialisés a donc été mis en place (Fig. I-5).

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La collecte est la phase logistique permettant le ramassage des ordures. Le tri à la source associé à une collecte sélective permet l'orientation des différents déchets vers les filières de traitement les plus appropriées.

Fig. I -5

Modèle simplifié de gestion des déchets ménagers [MAZ 2005]. Les centres de tri affinent la séparation des matières provenant de la collecte sélective. Les déchets sont alors séparés de manière de plus en plus automatisée (sélection par forme, dimension ou matière), compactés et mis en balles. Après le tri, ou bien la collecte, les déchets peuvent subir une valorisation matière ou énergétique (Balet 2005). La valorisation matière ou recyclage concerne surtout le verre, les papiers, les cartons, les emballages et les métaux. Dans la plupart des cas les matériaux issus du recyclage sont moins coûteux que la matière première naturelle. La valorisation de la fraction fermentescible des déchets est réalisée par un retour au sol des fractions fermentescibles après un compostage direct des déchets verts ou après une méthanisation suivie de compostage du digestat. L'incinération est un procédé d'élimination des déchets par le feu qui permet une valorisation énergétique lorsque les unités d'incinération sont équipées dans ce sens. Ce mode de traitement possède un certain nombre d'avantages parmi lesquels:

• une réduction importante du volume des déchets et rapidité du traitement; • la récupération des métaux possible; • la stérilisation microbienne des déchets qui permet le traitement des déchets

d'activités de soins et des déchets industriels spéciaux. Mais aussi beaucoup d'inconvénients tels que:

• une réglementation très contraignante (en particulier pour le traitement des fumées) qui engendre des coûts d'investissement et de fonctionnement très importants;

Collecte des déchets

Séparation: Centre de transfert

Installations de stockage

Industrie Agriculture

Domaine public

Tri/Traitement Compostage

Valorisation énergétique

31

• la production d'énergie est très dépendante dans le temps de la qualité calorifique et de la quantité des déchets traités;

• l'incinération dégage cinq types de produits: de l'eau, des gaz (dont gaz carbonique et dioxyde d'azote), de la poussière minérale (cendres et mâchefers), des métaux lourds (plomb, mercure…) et des molécules organiques (carbone, acides chlorhydrique et fluorhydrique et les dioxines issues des résidus chlorés qui sont cancérigènes).

Enfin les déchets ou les résidus des traitements précédents peuvent être stockés dans des Installations de Stockage de Déchets non dangereux (ISD de classe II). Anciennes décharges devenues aujourd'hui des unités de traitement soumises à une réglementation très stricte, les ISD se divisent en trois catégories: classe I, classe II et classe III (Table. I-2).

Classification des ISD. Une ISD de classe II est un ensemble de casiers ou "alvéoles" hydrauliquement indépendantes grâce à une étanchéité en fond, latérale et en couverture. Au fond des alvéoles les lixiviats issus des déchets, chargés en métaux lourds, sont récupérés, traités par lagunage et envoyés en stations d'épurations. Le méthane issu de la dégradation anaérobie des déchets est capté et permet ainsi une valorisation énergétique lorsque les ISD sont équipées dans ce sens.

2.2.2 Etat des lieux en 2006 En 2006 sont recensés (ADEME 2006):

• 317 unités de tri des déchets non dangereux qui traitent 6,3 millions de tonnes de déchets par an;

• 511 unités de compostage qui traitent 5,1 millions de tonnes de déchets verts par an;

• 3 unités de méthanisation qui traitent 0,1 millions de tonnes de déchets par an; • 128 installations thermiques (usines d'incinérations avec ou sans valorisation

énergétique) qui traitent 13 millions de tonnes de déchets par an; • 304 ISD de classe II qui traitent 22,9 millions de tonnes de déchets par an.

Catégorie Classe I Classe II Classe III

Déchets admissibles Déchets industriels

spéciaux ou toxiques Déchets non dangereux Déchets inertes

Législation en cours Arrêté du 18/12/1992 Arrêté du 09/09/1997 Directive européenne

du 26/04/1999 (1999/31/CE)

Table. I -2

32

Mise en ISD classe 2

49%

Tri 13%

Compostage11% Méthanisation

0%

Incinération avec valorisation énergétique

26%

Incinération sans valorisation énergétique

1%

Fig. I -6

Répartition des quantités de déchets ménagers traités par mode de traitement en 2006. Source ITOM 2006

Ainsi la mise en ISD de classe II des déchets non dangereux est l'exutoire principal avec prés de 49% des déchets stockés (Fig. I-6). L'incinération est le deuxième mode de traitement le plus utilisé avec 27% des déchets incinérés. On constate que la filière méthanisation a du mal à se mettre en place, en effet les plateformes de traitement restent très peu nombreuses.

2.2.3 Evolution des ISD: des décharges sauvages aux bioréacteurs De par la nature de ses activités l'homme a toujours généré des déchets. Au cours du 19ème siècle le volume et la diversité de ces déchets a considérablement augmenté et engendré la création de lieux de stockage spécifiques ou "décharges". Ces décharges n'étaient pas gérées et très peu contrôlées mais depuis une trentaine d'années les pratiques ont considérablement évolué et plusieurs types de décharges se sont succédées au fur et à mesure que les contrôles augmentaient (Westlake 1995). Dans le futur, même si les procédés de tri, recyclage, compostage sont optimisés au maximum, les ISD resteront indispensables (Joseph 1993). Jusque dans les années 80 la majorité des décharges étaient basées sur le concept "diluer et atténuer". Celui-ci consistait à laisser migrer les lixiviats aux travers de plusieurs strates non saturées de sol et permettre ainsi aux polluants de se diluer puis d'atténuer leur caractère dangereux grâce aux processus biologiques et physico-chimiques ayant lieu au sein des différentes couches de sol. Les avantages de cette méthode étaient surtout d'ordre financier; en effet, il n'y avait pas de nécessité d'installer de barrières étanches coûteuses ou de dispositif de récupération des lixiviats. En revanche, même si leur potentiel polluant diminuait, les lixiviats contaminaient toujours les eaux souterraines spécialement dans les pays où les aquifères sont situés prés de la surface comme les Pays-Bas (Westlake 1995). Le principe de confinement des déchets a succédé au concept "diluer et atténuer". Dans celui-ci les lixiviats n'ont plus vocation à migrer au delà des limites du site. La quantité de polluant traversant les barrières doit être extrêmement faible. Les biogaz rejetés doivent eux aussi être

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réduits à une quantité minimale. Ce principe de confinement des déchets a évolué vers deux concepts: les décharges sèches ou "Dry-tomb" et les décharges dites humides, "Wet-cell approch"ou encore"Bioréacteur" (Westlake 1995). Dans les décharges sèches les déchets sont stockés dans leur état hydrique initial et ne subissent aucun apport de liquide durant leur dégradation. Ceci est rendu possible grâce à la mise en place de plusieurs barrières de confinement notamment en couverture où une double étanchéité réparable et contrôlable permet d'éviter toute infiltration d'eau de pluie dans les déchets (Stegmann 1993). Ce concept permet ainsi de limiter les quantités de lixiviats à traiter mais ne permet pas la stabilisation rapide et complète de la fraction organique des déchets car les conditions physico-chimiques ne sont pas favorables à l'activité biologique. A l'inverse le principe des décharges humides consiste à laisser pénétrer de l'eau en quantité contrôlée dans le massif de déchets grâce à la mise en place de couvertures semi-perméables. Cet apport d'eau stimule l'activité biologique au sein des déchets et permet ainsi à ces derniers de se dégrader plus rapidement (Lee 1993). De nos jours le concept de décharge humide a supplanté celui des "Dry-tomb" car il présente de nombreux avantages (Lee 1993). En effet, le lessivage des déchets par les eaux entrantes permet:

• une dégradation et une stabilisation des déchets beaucoup plus rapide; • aux lixiviats générés, même s'ils sont en plus grande quantité, de présenter un potentiel

polluant plus limité dans le temps; • aux biogaz d'être produits pendant une période plus courte; • de limiter les conséquences sur l'environnement si la couverture se perfore ou se

détériore au cours du temps. Finalement, les coûts de contrôle et de maintenance sur le long terme, notamment des couvertures, sont moindres dans les décharges humides. Le concept des bioréacteurs constitue la future évolution des décharges humides. En effet, l'objectif d'un bioréacteur est d'achever la dégradation et la stabilisation des déchets stockés en moins de dix ans tout en optimisant le taux et la qualité des gaz générés afin de produire de l'énergie en grande quantité (Joseph 1993, Van Der Broek 1995). Pour atteindre l'inertage du site en quelques années, l'entrée d'eau au sein des déchets doit être totalement maîtrisée. Deux scénarios sont envisagés:

• la mise en place de couvertures semi-perméables dimensionnées pour un objectif d'infiltration donné qui permettrait d'optimiser le taux de biodégradation;

• une réinjection sous la couverture des lixiviats captés. Cette recirculation permet d'accroître l'activité biologique au sein des déchets car les lixiviats sont chargés de nutriments et d'enzymes. De plus la quantité de lixiviats à traiter sera moindre.

Par conséquent, l'amélioration de la gestion des installations de stockage passe par une étude complète des barrières de confinement en couverture afin de maîtriser les quantités de flux entrant et optimiser la dégradation des déchets. Les pistes de recherches concernent surtout l’amélioration des techniques existantes : conception de couvertures limitant les pénétrations d’eau pluviales et les fuites de biogaz et des barrières actives plus performantes grâce à un meilleur système de drainage (eau et gaz) ou encore l'utilisation de nouveaux géo-matériaux de confinement.

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3. Les ISD de classe II

3.1. Mode d'enfouissement: concepts généraux

3.1.1 Choix du site La zone à exploiter doit être implantée et aménagée de telle sorte que (Arrêté du 09/09/1997):

• son exploitation soit compatible avec les autres activités et occupations du sol environnantes;

• elle ne génère pas de nuisances qui mettraient en cause la préservation de l'environnement et la salubrité publique.

Le contexte géologique et hydrogéologique du site doit être favorable. Le sous-sol doit présenter des caractéristiques de perméabilité suffisamment faibles pour assurer la prévention de la pollution des sols et des eaux souterraines par le lixiviat. Lorsque le sous-sol ne permet pas d’obtenir la perméabilité exigée, des techniques de remaniements avec ou sans apport de matériau peuvent être utilisées. De plus, les risques d'inondations, d'affaissements, de glissements de terrain ou d'avalanches sur le site doivent être pris en compte (Arrêté du 09/09/1997, Gachet 2005).

3.1.2 Conception et exploitation Les déchets sont stockés dans des casiers hydrauliquement indépendants les uns des autres et délimités par une digue périmétrique stable et étanche (Fig. I-7). Ceux-ci sont eux-mêmes subdivisés en alvéoles dont la superficie est fixée par arrêté préfectoral. La hauteur des déchets dans un casier varie généralement entre quelques mètres pour les bords du casier et 40 mètres en son centre (Arrêté du 09/09/1997, Olivier 2003). Le confinement sur le fond et les flancs du casier est assuré par la superposition de deux barrières de sécurité étanches. On distingue la barrière de sécurité active qui assure aussi le drainage et la collecte de lixiviats et la barrière de sécurité passive non sollicitée pendant la phase d’exploitation mais assurant la prévention à long terme. La mise en place des déchets se fait par couches successives compactées de manière à assurer la stabilité de la masse des déchets. Ceux-ci sont régulièrement recouverts par de la terre afin de limiter les envols et prévenir les nuisances olfactives. Dès la fin du remplissage du casier, celui-ci est muni d'une couverture minérale et/ou synthétique. Les eaux de ruissellement intérieures au site, non susceptibles d'être entrées en contact avec des déchets sont récupérées grâce à un fossé de collecte, et passent, avant rejet dans le milieu naturel, par des bassins de stockage étanches, permettant une décantation et un contrôle de leur qualité.

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Fig. I -7

Alvéole de stockage.

3.1.3 Gestion des émissions liquides et gazeuses

La dégradation des déchets fermentescibles s'accompagne de la production de biogaz et de lixiviats. Des réseaux de drains horizontaux disposés en surface des alvéoles ainsi que des puits de collecte verticaux montés pendant le remplissage ou à la fin de l'exploitation du casier, permettent d'évacuer ces derniers. L'ensemble de l'installation de drainage et de collecte des lixiviats est conçu de façon à limiter la charge hydraulique de préférence à 30 cm et de façon à permettre l'entretien et l'inspection des drains. Les lixiviats accumulés en fond de casier sont pompés et orientés vers des filières de traitement. Le réseau de captage des biogaz est conçu et dimensionné de façon à capter le maximum de biogaz produit et maintenir sa qualité constante grâce notamment à sa mise en dépression et à permettre son acheminement vers une installation de valorisation ou une installation de destruction par combustion.

3.1.4 Post-exploitation La production de biogaz et de lixiviat se poursuit de nombreuses années après la fermeture du site. Une période de post-exploitation d'une durée minimale de 30 ans est obligatoire. L'exploitant s'engage durant cette période à effectuer un contrôle des casiers et systèmes de collecte, de l'analyse des gaz, des lixiviats et à remédier à tout problème pouvant entraîner un risque de pollution. A l'issue de la période de surveillance une requalification du site peut être envisagée (Arrêté du 09/09/1997, Olivier 2003).

Captage du biogaz

Barrière de sécurité active en

fond

Eau de pluie

Déchets

Barrière de sécurité passive

Lixiviat

Barrière de sécurité active en couverture

Drainage du lixiviat

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3.2. Barrières étanches

3.2.1 Rôle et réglementation La réglementation sur l'aménagement des ISD impose l'existence d'une double barrière de sécurité (arrêté du 09/09/97 et directive européenne 1999/31/CE). Une barrière de sécurité active assurant le drainage et la collecte des lixiviats en fond de casier et de l'eau de pluie et des biogaz en couverture. Elle est constituée par un complexe d'étanchéité-drainage associant des géosynthétiques (géomembranes, géosynthétiques bentonitiques, géotextiles) et des matériaux naturels (argiles). Une barrière de sécurité passive assurant la garantie à long terme de l'installation de stockage et de son environnement. L'étanchéité de la barrière passive doit être pérenne et devra résister aux sollicitations mécaniques lors de la mise en oeuvre et l'exploitation du site. Cette double barrière de sécurité a pour objectif d'assurer (Ait Saadi 2003):

• la réduction des entrées et sorties d'eaux du casier; • un drainage efficace des lixiviats et du biogaz afin de réduire les pollutions

éventuelles; • la pérennité du système de confinement pendant plusieurs dizaines d'années

correspondant au temps de dégradation des déchets.

3.2.2 En fond d'alvéole

Le fond de forme du site présente, de haut en bas, une perméabilité inférieure à 1×10-9 m/s sur au moins 1 mètre et inférieure à 1×10-6 m/s sur au moins 5 mètres (Prud'homme1997). Les flancs sont constitués d'une couche minérale d'une perméabilité inférieure à 1×10-9 m/s sur au moins 1 mètre. Lorsque la barrière géologique ne répond pas naturellement aux conditions précitées, elle peut être complétée artificiellement et renforcée par d'autres moyens présentant une protection équivalente. L'épaisseur de la barrière ainsi reconstituée ne doit pas être inférieure à 1 mètre pour le fond de forme et à 0,5 mètre pour les flancs jusqu'à une hauteur de deux mètres par rapport au fond. La barrière de sécurité active en fond d’alvéole assure à la fois l’étanchéité, mais aussi le drainage des lixiviats. Celle-ci est normalement constituée, du bas vers le haut, par une géomembrane, surmontée d'une couche de drainage (Fig. I-8). La couche de drainage est constituée de bas en haut:

• d'un réseau de drains permettant l'évacuation des lixiviats vers un collecteur principal; • d'une couche drainante, d'épaisseur supérieure ou égale à 0,5 mètre, ou tout dispositif

équivalent. La géomembrane ou le dispositif équivalent doit être étanche, compatible avec les déchets stockés et mécaniquement acceptable au regard de la géotechnique du projet. Sa mise en place doit en particulier conduire à limiter autant que possible toute sollicitation mécanique en traction et en compression dans le plan de pose, notamment après stockage des déchets.

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Fig. I -8

Barrière en fond d'alvéole.

3.2.3 En couverture d'alvéole La barrière d’étanchéité en couverture est celle qui a le plus d’impact sur l’évolution du site (Poignard 1999). Elle régit les échanges entre les déchets et l’extérieur et remplit plusieurs fonctions:

• contrôler les infiltrations d’eaux pluviales afin de favoriser l'achèvement de la fermentation des déchets;

• réduire les migrations des gaz en maximisant leur récupération; • séparer les déchets du vivant (rongeurs, insectes et racines); • favoriser un bon drainage extérieur.

Dès la fin de comblement d'un casier, une couverture finale est mise en place pour limiter les infiltrations d'eau vers l'intérieur de l'installation de stockage. Dans le cas de "déchets biodégradables", une couverture provisoire est disposée dans l'attente de la mise en place du réseau de drainage du biogaz. Dès la réalisation de ce réseau une couverture finale est mise en place. Le guide technique associé à l'arrêté du 09 septembre 1997 précise le concept de couverture pour les casiers contenant des déchets non dangereux. En effet, celle-ci doit être réalisée selon un profil topographique permettant de prévenir autant que possible les risques d'éboulement, ravinement et d'érosion et de manière à diriger les eaux de ruissellement superficielles vers l'extérieur de la zone à exploiter. La couverture doit aussi présenter une pente d'au moins 3% permettant de diriger toutes les eaux de ruissellement vers les dispositifs de collecte. Finalement cette couverture doit être composée du bas vers le haut (Fig. I-9) (ADEME 2001):

• d'une couche drainante participant à la collecte et au captage du biogaz et dans laquelle se situe le réseau de drainage et de captage de ces gaz;

• d'un écran semi-perméable réalisé par des matériaux naturels argileux remaniés et compactés sur une épaisseur d'au moins un mètre, ou tout autre dispositif équivalent assurant la même efficacité;

Barrière de sécurité active

Barrière de sécurité passive

K<10-9 m/s sur 1m mini

K<10-6 m/s sur 5 m mini

Drain Déchet Déchet

Couche filtrante

Couche drainante

Géotextile

Géomembrane

a) Barrières de sécurité passive et active

b) Détail barrière de sécurité active

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• d'une couche drainante permettant de limiter les infiltrations d'eaux météoriques dans le stockage;

• d'un niveau suffisant de terre permettant la plantation d'une végétation favorisant l'évapotranspiration.

Barrière en couverture d'alvéole.

Dans le cas des déchets non dangereux, le type de couverture préconisé est donc une couverture semi-perméable permettant d'apporter une quantité d'eau suffisante aux déchets pour améliorer sa dégradation. La perméabilité alors retenue est de l'ordre de 1×10-7 m/s (BRGM 2005).

4. Conclusion

Cette première partie a permis de situer le stockage des déchets parmi les différentes filières de traitement des déchets. Nous avons pu ainsi voir que devant la quantité des déchets produits en France ce mode de traitement est de nos jours beaucoup utilisé car il a su évoluer vers un système performant plus respectueux du milieu environnant. En effet, les Installations de Stockage de déchets sont aujourd'hui de réels ouvrages de Génie Civil complexes auxquels la législation demande un niveau de performance élevé ainsi qu'une pérennité pour garantir au mieux la protection de l'environnement.

Sol de confinement : terre végétale Fonctions : protection contre l’érosion, confinement et végétalisation

Couche de forme Fonction de support

Ecran semi-perméable: Matériaux argileux

Fonction d’étanchéité

Géotextile

Déchets

Couche drainante Fonction: captage du biogaz

Couche drainante Fonction: captage de l'eau de pluie

Fig. I -9

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Chapitre II :

Présentation générale des matériaux naturels

utilisés pour la mise en œuvre des barrières

étanches

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1. Introduction

Dans ce chapitre les matériaux naturels utilisés pour répondre aux exigences règlementaires sont présentés. Les matériaux utilisés dans le cadre de notre étude sont entièrement naturels (argile) ou géosynthétiques (Géosynthétiques bentonitiques). Les matériaux synthétiques tels que les géomembranes ont fait l'objet d'autres études (Yazdani et al. (1995), Rowe R.K (1998), Pierson et Barroso (2002), Hsuan et al. (2008)) et ne seront pas abordés ici. Dans une troisième partie les propriétés physiques et chimiques des matériaux d'étanchéité sont présentées de manière générale au travers des essais effectués sur ces matériaux. Finalement, une étude comparative entre l'argile et les Géosynthétiques bentonitiques est ensuite effectuée dans une dernière partie.

2. L'argile

2.1. Généralités

2.1.1 Minéralogie Les argiles sont des minéraux alumino-silicatés, le plus souvent de la famille des phyllosilicates qui sont formés par l'empilement de feuillets élémentaires de très faible épaisseur (de 7 à 14 nm). Les feuillets sont constitués par l'association de deux à trois unités de base (Madsen 1994, Gaboriau 1997):

• des tétraèdres formés de quatre atomes d'oxygène équidistants munis au centre d'un atome de silicium ou d'aluminium (Fig. II-1);

• des octaèdres formés de six atomes d'oxygène ou d'hydrogène munis au centre d'un atome d'aluminium ou de magnésium (Fig. II-2).

Suivant le type d'argile, les particules se composent d'un nombre variable de feuillets. Les feuillets présentent une charge électrique dont l'origine et l'intensité expliquent en partie les comportements spécifiques des différents minéraux argileux (notamment les propriétés d'hydratation et de gonflement). En effet, des substitutions isomorphes se produisent fréquemment dans les feuillets; les cations situés au centre du réseau cristallin peuvent être remplacés par des cations de plus faible valence du milieu (dans les tétraèdres substitution du silicium Si4+ par de l'aluminium Al3+ et dans les octaèdres substitution l'aluminium Al3+ par du magnésium Mg2+). Ces substitutions confèrent une charge négative aux feuillets. Cette charge est compensée par des cations (Ca 2+, Na+, K+, Mg2+ le plus souvent) qui se placent à la surface des feuillets afin de ramener l'électro-neutralité (Madsen 1994, Meer 2004).

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Fig. II -1

Structure tétraédrique d'après Grim (1968).

Fig. II -2

Structure octaédrique d'après Grim (1968).

2.1.2 Classification Suivant la nature du feuillet et la valeur de la charge on distingue trois principaux groupes d'argile (Gaboriau 1997, Coussy 2002):

2.1.2.1 La kaolinite

La kaolinite est constituée par une couche tétraédrique et une couche octaédrique. Elle se présente sous forme de particules hexagonales constituées par des empilements de nombreux feuillets (100 à 150) fortement liés les uns aux autres par des liaisons hydrogènes et des forces de Van der Waals. Les kaolinites sont dites argiles non-gonflantes car elles ont des faibles propriétés d'hydratation; les espaces interfoliaires ne sont notamment pas hydratables.

2.1.2.2 Les smectites

Les smectites sont constituées de deux couches tétraédriques encadrant une couche octaédrique. Le terme smectique regroupe minéralogiquement plusieurs espèces dont les plus

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importants sont: la montmorillonite, la bedellite, l'hectorite et la saponite. La charge négative élevée de ces argiles est compensée par les cations placés entre les feuillets. A l'inverse de la kaolinite, l'espace interfoliaire des smectites est hydratable. La pénétration des molécules d'eau dans les espaces interfoliaires peut atteindre quatre couches d'eau et induit ainsi un écartement des feuillets. Ce groupe de minéraux qui possède des propriétés remarquables d'hydratation et de gonflement est donc souvent désigné sous le terme d'"argiles gonflantes".

2.1.2.3 L'illite

La structure de l'illite est voisine de celle des smectites. Cependant le déficit de charge est compensé par des ions potassium qui créent des liaisons fortes entre les feuillets. Ses propriétés d'hydratation et de gonflement sont proches de celles de la kaolinite. Les illites sont donc des argiles non-gonflantes.

2.2. La Bentonite

2.2.1 Origine et structure La bentonite est un matériau argileux majoritairement composé de smectite et plus particulièrement de montmorillonite. Les deux termes bentonite et montmorillonite étaient à l'origine synonymes et désignaient le même minéral découvert simultanément à Montmorillon en France et à Fort Benton aux USA. Le terme montmorillonite fut choisi pour représenter le minéral et le terme bentonite s'imposa pour désigner le produit commercial (Gaboriau 1997). Les bentonites de haute qualité peuvent contenir jusqu'à 95% de montmorillonite. La part restante étant constituée d'autres minéraux tels que le quartz, les feldspaths, les carbonates, etc…

2.2.2 Mécanismes d'hydratation et de gonflement des bentonites L'eau située dans les pores de la bentonite peut être considérée comme mobile ou immobile. L'eau mobile est libre de se déplacer sous un gradient hydraulique. L'eau immobile est liée aux molécules des feuillets par des forces électriques fortes (forces de Van der Waals et forces électrostatiques) et est considérée comme un prolongement de la surface solide. La fraction d'eau immobile dans les pores dépend du nombre de couche d'eau dans l'espace interfoliaire. Le moteur de l'hydratation interfoliaire est l'affinité pour l'eau des cations placés à la surface: la molécule d'eau se comporte comme un dipôle dont l'atome d'oxygène, électronégatif, est attiré par les cations (Gaboriau 1997, Kolstad 2004). L'hydratation de la bentonite se déroule en deux phases (Egloffstein 1994, Kolstad 2004):

• La phase cristalline La phase cristalline a lieu en premier lorsque plusieurs couches d'eau hydratent les surfaces extérieures et l'espace interfoliaire de la bentonite initialement sèche. L'hydratation interfoliaire écarte légèrement les feuillets à des distances correspondant à l'insertion d’une, deux, trois ou quatre couches d'eau. La distance maximale entre deux feuillets est limitée à 4 couches d'eau (soit 2,16 nm). Cette première hydratation ne génère qu'un espace faible entre les feuillets, le volume intercristallin est de deux à quatre fois supérieur au volume initial, et donc peu d'eau immobile. Le gonflement de la bentonite est alors faible. Cette phase est décrite par Tessier (1990) comme la phase

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« solide hydraté » comportant des particules constituées par de nombreux feuillets d’argile.

• La phase osmotique Cette phase se déroule après la phase cristalline lorsque les molécules d'eau hydratent à nouveau alors les espaces interfoliaires. La distance interfoliaire passe brusquement de 2,16 à 4 nm. Puis les feuillets s'écartent en fonction du contenu en eau. Ce changement brusque correspond à la formation de la double couche diffuse. L'hydratation osmotique génère un espace large entre les feuillets (jusqu'à 100 nm) ainsi qu'une grande quantité d'eau immobile. La bentonite se comporte comme un gel (Tessier 1990) et son gonflement est conséquent, huit à quinze fois supérieur au gonflement initial, et le volume de pore disponible pour la circulation de l'eau mobile est très diminué. La conductivité hydraulique de la bentonite diminue aussi fortement car celle-ci est directement liée à la taille et à la tortuosité du milieu poral.

Lorsque les cations situés dans l'espace interfoliaire sont monovalents (Na+, K+) les deux phases d'hydratation, cristallines et osmotiques, ont lieu permettant ainsi un fort gonflement de la bentonite. En revanche, lorsque les cations sont bi ou trivalents (Ca2+) seule la phase cristalline se déroule entraînant un faible gonflement de la bentonite. En effet, les forces électriques entre les cations polyvalents et les feuillets sont plus grandes et empêchent ainsi le gonflement osmotique (Fig. II-3).

Fig. II -3

Schémas représentant l'organisation des feuillets de la montmorillonite d'après Ashmawy et al. (2002).

(a) après une saturation initiale avec un liquide contenant des cations multivalents; (b) après une saturation initiale avec un liquide contenant des cations monovalents;

(c) après une pré-hydratation avec un liquide contenant des cations monovalents puis une hydratation avec un liquide contenant des cations multivalents.

2.2.3 La capacité d'échange cationique Lors de l'hydratation, les cations situés dans l'espace interfoliaire sont susceptibles d'être remplacés par d'autres cations issus du liquide d'hydratation. Cet échange cationique amène les bentonites à interagir avec les différents liquides d'hydratation et avoir ainsi leurs propriétés modifiées. Le degré d'échange dépend de la valence, de l'abondance et de la taille des cations. En général les cations de plus grande valence et de plus petite taille remplacent ceux de valence plus faible et de taille plus grande (Kolstad 2004, Muhammad 2004). On peut donner une chaîne des cations par ordre de remplacement:

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Na+ < Li+ <K+ < Rb+ < Cs+ < Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ < Cu2+ < Al3+ < Fe3+ < Th4+

Les cations les plus facilement échangeables sont situés à gauche. Par exemple, les ions sodium sont habituellement échangés lorsqu'ils sont en contact avec une solution contenant des ions Ca2+. Cette chaîne de remplacement est valable uniquement lorsque les concentrations en cations sont identiques. En effet, si un cation de plus faible valence (Na+) est en plus grande quantité qu'un cation de plus grande valence (Ca2+), les ions de plus faible valence vont se substituer aux ions de plus forte valence (Meer 2004).

3. Les Géosynthétiques bentonitiques (GSB)

3.1. Constitution et classification des différents GSB

Les Géosynthétiques Bentonitiques (GSB) sont des matériaux composites. Leur principe réside dans l’association de matériaux minéraux et de géosynthétiques. Le Comité Français des Géosynthétiques admet comme définition pour les GSB (CFG 1998) (Fig. II-4): "tous produits manufacturés en forme de nappe, constitué d'un assemblage de matériaux comprenant au moins un géotextile et de la bentonite, utilisés dans le domaine de la géotechnique et du génie civil et assurant une fonction d’étanchéité."

Fig. II -4

Coupe de principe d’un Géosynthétique Bentonitique.

La fonction étanchéité est assurée par la bentonite. Après hydratation la couche de bentonite devient une pâte uniforme très peu perméable. Le confinement du GSB est obligatoire lors de son hydratation et permet de limiter le gonflement. Les géotextiles assurent les fonctions de séparation, renforcement, protection et permettent le stockage, le transport et la mise en place des GSB sur le site (Koerner 1994a, Comeaga 1997). Les GSB peuvent être de plusieurs sortes correspondant à leur mode d'assemblage. On distingue alors (Koerner 1994a, CGF 1998) (Fig. II-5):

• les GSB collés Ils sont composés de deux géotextiles entre lesquels se trouve une couche de bentonite. L'ensemble est maintenu par une colle hydrosoluble qui disparaît après la mise en service du GSB.

• les GSB cousus Ils sont constitués d'un géotextile support et un géotextile de couverture entre lesquels est contenue une couche de bentonite. Les différentes couches sont ici liées mécaniquement par un système de coutures.

Bentonite

Géotextiles

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• les GSB aiguilletés

Comme les GSB cousus, ils sont constitués d'un géotextile support et un géotextile de couverture entre lesquels est contenue une couche de bentonite par aiguilletage sur toute sa surface. L'aiguilletage est réalisé par de nombreux points de piquage au moyen d'aiguilles crochetées. Lors de l'aiguilletage, les fibres d'un des géotextiles sont ancrées dans l'autre géotextile en traversant la couche de bentonite.

On distingue des différences entre les produits commercialisés. Celles-ci concernent:

• la forme de la bentonite (poudre ou granulés); • Le type de géotextile (tissé ou non tissé); • la teneur en smectite; • la concentration en bentonite sodique ou calcique; • les additifs chimiques éventuels.

Fig. II -5

Schémas des différents GSB (d'après Koerner 1997a).

3.2. Mise en oeuvre des Géosynthétiques Bentonitiques Les GSB sont conditionnés par les fabricants sous forme de rouleaux. Leur mise en œuvre sur un site, facile et rapide, doit tout de même suivre un certain nombre de principes afin de garantir leurs performances (CFG 1998, Didier 1998, ADEME 2001).

Bentonite + colle

Bentonite

Bentonite

Géotextile de couverture

Géotextile support

Géotextile support

Géotextile support

Géotextile de couverture

Géotextile de couverture

(a) GSB collé

(b) GSB cousu

(c) GSB aiguilleté

Coutures en ligne

Fibres piquées

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3.2.1 Etat de la structure support

La structure support du GSB peut comporter une couche de forme, une couche support et éventuellement une couche de drainage. La surface de contact doit être plane, régulière, exempte de végétaux, de flaque d'eau et non agressive pour le GSB. Les engins de chantier ne doivent pas entraîner de déformation ou de modification de cet état de surface.

3.2.2 Mise en place des lés Les rouleaux sont manutentionnés à l'aide d'engins mécanisés équipés d'un système de déroulage adapté. Les lés sont déroulés dans la direction de plus grande pente parallèlement à l'engin tout en veillant à bien respecter les largeurs de recouvrement. Suivant le type de GSB le recouvrement pourra nécessiter un ajout de bentonite granulaire ou en poudre afin d'assurer la continuité de l'étanchéité (Fig. II-6), un simple examen visuel permet de contrôler cet assemblage par recouvrement des lés. La continuité entre les lés de GSB se fait donc de manière très simple contrairement aux géomembranes. En effet celles-ci sont assemblées par soudures générant des points faibles dans l'étanchéité. Les soudures peuvent être automatisées mais les contrôles doivent être réalisés constamment pour vérifier la fiabilité des assemblages (Touze-Foltz 2001).

Fig. II -6

Schéma du recouvrement avec apport de bentonite.

3.2.3 Confinement et protection La couche de confinement est généralement constituée de matériaux naturels exempts d'éléments agressifs. Elle doit être mise en place le plus rapidement possible à l'avancement de la pose dans le sens de recouvrement des lés. Les engins peuvent circuler sur la couche de confinement uniquement lorsque l'épaisseur de protection requise est présente.

Bentonite (poudre ou pâte)

Sol support

GSB

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3.3. Caractéristiques des GSB

3.3.1 Avantages des GSB Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles les GSB sont de plus en plus utilisés comme barrières étanches dans les Installations de Stockage de Déchets (Daniel 1995, Bouazza 2002). En effet, ceux-ci possèdent tout d'abord une conductivité hydraulique très faible, variant entre 2×10-12 m/s et 2×10-10 m/s suivant leur confinement, ce qui les rend vraiment efficace en tant que barrière hydraulique. Les GSB hydratés ont aussi une capacité d'auto-cicatrisation lorsqu'ils sont endommagés et/ou présentent un petit défaut (Madsen et Nuesch 1995). En effet, le gonflement des GSB lors de leur hydratation peut permettre de refermer les fissures. Plus le GSB a un potentiel de gonflement important, plus il est susceptible de s'autocicatriser. Cette propriété d'auto-cicatrisation est donc plus prononcée pour les GSB sodiques car ceux-ci gonflent plus que les GSB calcique (Chapitre II section 2.2). Comeaga (1997) a montré qu'un défaut carré de 1 cm2 avec perte de bentonite se referme après 15 jours et reste fermé sous une contrainte de 8 kPa dans le domaine des charges hydrauliques observées in situ. Cazaux et al. (1999) ont montré que pour des défauts dans les GSB contenant l'objet les ayant provoqués la capacité limite d'auto-cicatrisation est de 30 mm de diamètre. Lorsque le confinement est suffisant les GSB supportent aussi bien les tassements différentiels et les cycles de gel/dégel tout en conservant leurs caractéristiques. Finalement, le coût d'installation d'un GSB est inférieur à celui de la mise en place d'une barrière en argile, surtout si l'argile n'est pas disponible directement sur le site. Leur installation est rapide et facile; leurs propriétés sont constantes sur toute leur surface et l'étanchéité au niveau des recouvrements est aisément réalisable.

3.3.2 Vulnérabilité des GSB L'épaisseur limitée des GSB les rend vulnérable aux accidents mécaniques; en effet, ceux-ci peuvent être perforés pendant leur mise en place (Bouazza 2002; Daniel 1998). La bentonite hydratée possède une contrainte de cisaillement très faible qui peut engendrer une migration de celle-ci sous une contrainte et créer des zones de plus faible épaisseur du GSB. Ces zones seront plus perméables aux fluides. D'autre part les GSB sont aussi sujets à l'altération chimique. L'échange cationique qui a lieu au sein des GSB sodiques avec le calcium ou les autres ions polyvalents est un réel problème pour l'étanchéité de la barrière car les GSB calciques ont une perméabilité supérieure aux GSB sodiques (voir Chapitre IV section 2.1.1). De plus, associé à une dessiccation possible lors des périodes sèches cet échange cationique peut engendrer des fissures non cicatrisables dans les GSB qui seront des chemins préférentiels pour l'eau et le gaz. Les matériaux en contact avec les GSB doivent donc être étudiés afin d'évaluer la vulnérabilité du GSB aux échanges cationiques.

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4. Caractérisation des matériaux d'étanchéité

Dans cette partie les propriétés physiques et chimiques des matériaux d'étanchéité qui peuvent être évaluées sont présentées. Ces caractéristiques sont associées pour leur grande majorité à des essais normalisés; ainsi l’ensemble des tests qui peuvent être réalisés va être passé en revue. On peut définir séparément les critères propres aux argiles et ceux correspondant aux géosynthétiques bentonitiques.

4.1. Essais sur les sols de couverture

4.1.1 Paramètres de nature Les paramètres de nature correspondent aux caractéristiques intrinsèques du matériau, c'est-à-dire les caractéristiques qui ne varient pas ou peu dans le temps ou au cours des différentes manipulations subies par le matériau lors de sa mise en œuvre (Ait Saadi 2003). Ils concernent essentiellement la granularité et l'argilosité.

4.1.1.1 Granulométrie

L'étude granulométrique consiste à déterminer les proportions relatives pondérales des différentes fractions granulométriques. L'analyse granulométrique est réalisée conformément aux recommandations des normes NF P94-056 et NF P94-057 qui traitent respectivement du tamisage du sol jusqu'à 80 µm et de la sédimentation de la fraction granulaire inférieure à 80 µm. L'exploitation de la courbe granulométrique permet de définir différents seuils comme la teneur en argile qui est déterminée par le pourcentage d'éléments inférieurs à 2 µm.

4.1.1.2 Argilosité

L'essai au bleu de méthylène permet d'évaluer la richesse d'un sol en argile. En effet l'argile absorbe une quantité de bleu de méthylène proportionnelle à sa surface spécifique. Le résultat de l'essai dépendra donc directement de la nature minéralogique des argiles et de leur quantité dans le sol. Cet essai est décrit par la norme NF P-94-068. L'indice de plasticité d'un sol dépend directement de la nature et de la quantité de l'argile qu'il contient. En effet, cet indice qui est déduit des limites d'Atterberg (norme NF 94-051) définit pour un sol l'intervalle de teneur en eau situé entre sa limite de liquidité et sa limite de plasticité, c'est-à-dire l'intervalle de teneur en eau pour lequel le sol reste souple et déformable tout en gardant une certaine résistance au cisaillement. Plus cet indice est élevé, plus le sol contient de l'argile.

4.1.1.3 Teneur en carbonates

L'essai de détermination de la teneur en carbonates consiste à mesurer le volume de carbone (CO2) dégagé sous l'action d'un mélange d'un échantillon de sol et d'acide chlorhydrique en excès (NF P94-048).

50

La teneur en carbonates est un bon indice de résistance mécanique et de sensibilité à l'eau. En effet, selon sa valeur, le comportement du sol évolue de celui d'une argile vers celui d'une roche. La frontière étant située aux alentours de 60% (Table. II-1).

Teneur en carbonate (%) Classification Exemple

<10 Non calcaire Argile, sable siliceux… 10 à 29 Peu calcaire Marne 30 à 69 Moyennement calcaire Marne… 70 à 89 Fortement calcaire Calcaire marneux… >90 Calcaire Calcaire

Table. II -1

Classification des matériaux en fonction du pourcentage massique en carbonates.

4.1.2 Paramètres d'état

Les paramètres d'état sont liés à l'environnement du sol.

4.1.2.1 Teneur en eau

La teneur en eau pondérale d'un sol à l'état naturel est le paramètre fondamental de son comportement. Elle est égale au rapport de la masse de l'eau contenue dans l'échantillon de sol à la masse des grains solides (w exprimé en %). Sa mesure se fait par étuvage (norme NF P94-050).

4.1.2.2 Poids volumique

Le poids volumique est le rapport du poids du matériau à une teneur en eau donnée par le volume qu'il occupe (γ exprimé en kN/m3) (norme NF P94-053).

4.1.3 Comportement hydraulique Le comportement hydraulique d'un sol est caractérisé essentiellement par sa conductivité hydraulique notée KW et exprimée en m/s. La conductivité hydraulique est obtenue en laboratoire à l'aide de l'oedoperméamètre (norme NF P84-705) ou du perméamètre à parois rigides (norme NF X30-441). Le perméamètre à parois rigides est un essai qui consiste à suivre le débit d'écoulement au travers d'une éprouvette cylindrique de sol par application d'un gradient hydraulique constant. Cet essai a été utilisé et son principe sera repris au chapitre III. In situ, la perméabilité du sol est déterminée par des essais d'infiltration en forage (norme NF X30-424) ou à l'aide d'infiltromètres à simple ou double anneaux fermés (norme NF X30-420). La mesure de la perméabilité sur site par infiltrométrie présente une bonne analogie avec le phénomène naturel de l'infiltration des pluies grâce à l'infiltration verticale artificielle provoquée sous faible charge et sur un sol faiblement perturbé.

51

4.1.4 Comportement mécanique

Le comportement mécanique des sols est caractérisé par des paramètres obtenus à partir d'essais géotechniques en laboratoire tels que:

• l'essai Proctor qui permet de déterminer les caractéristiques de compactage du sol (norme NF P94-093) ;

• l'essai IPI qui permet la détermination de l'indice portant immédiat et renseigne ainsi sur la capacité de portance du sol (norme NF P94-078);

• l'essai oedométrique qui permet d'évaluer la compressibilité, les tassements et le gonflement du matériau au cours du temps (norme XP P94-090-1);

• l'essai de cisaillement qui donne la résistance au cisaillement d'un sol (norme NF P94-071-1).

4.2. Essais sur l'argile et la bentonite

4.2.1 Composition minéralogique

4.2.1.1 Diffractométrie aux rayons X

L'analyse de la diffraction des rayons X est le procédé d'analyse de la minéralogie des argiles le plus couramment utilisé. En effet, celui-ci renseigne très rapidement sur les minéraux argileux contenus dans les échantillons en poudre (Egloffstein 1994, Von Maubeuge 2004). Cette méthode est particulièrement efficace pour déterminer les constituants mineurs dans les bentonites comme le quartz, la cristobalite, les feldspaths, le mica, la calcite, la dolomie, le gypse…

4.2.1.2 Absorption au bleu de méthylène

Comme pour les sols l'essai au bleu de méthylène permet d'évaluer la richesse en argile par titration et mesure de la quantité de bleu de méthylène absorbée. Pour les bentonites cet essai permet ainsi de déterminer la teneur en smectite plus simplement et avec davantage d'exactitude qu'en utilisant la diffraction des rayons X; en effet, approximativement 1mmol de bleu de méthylène est absorbé pour chaque gramme de smectite (Higgs 1993, Von Maubeuge 2004).

4.2.1.3 Granulométrie

La courbe granulométrique est déterminée par sédimentation ou par tamisage à sec pour les bentonites en granulés. Celle-ci donne des renseignements sur:

• la qualité de la bentonite; les bentonites de qualité ont un pourcentage de fines (<2 µm) supérieur à 70-90% (Comeaga 1997);

• le type de minéraux contenus dans la bentonite; en effet, les particules de montmorillonite sont plus fines que l'illite ou la kaolinite;

• la présence d'autres constituants; le quartz, les feldspaths, etc… sont généralement plus gros.

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4.2.2 Capacité d'échange cationique

La Capacité d'Echange Cationique (CEC) représente la quantité de cations présents dans l'espace interfoliaire susceptibles d'être remplacés par d'autres cations. Les cations occupant les sites d'échange sont analysés d'après la méthode de Rémy et Orsini (1976). Un échantillon de bentonite est mis en contact pendant une heure avec une solution de trichloride de cobaltihexamine. La capacité d'échange cationique est mesurée par spectrocolorimétrie grâce à la différence de couleur entre la solution de départ et la solution finale après absorption du trichloride (Guyonnet 2008). La capacité d'échange cationique est exprimée en meq/100g d'argile. Pour les smectites la CEC est comprise entre 70 et 130 meq/100g (Gleason 1997, Shakelford 2003, Muhammad 2004).

4.2.3 Analyse des carbonates et des isotopes de carbone et d'oxygène Comme pour les sols, l'analyse des carbonates est effectuée selon la norme NF P94-048 par attaque acide de la bentonite et mesure du dégagement de CO2. L'analyse des isotopes de carbone et d'oxygène est effectuée à partir de la teneur en carbonates selon la méthode décrite par Landis et Von Maubeuge (2004). En effet, la composition isotopique du carbone et de l'oxygène des carbonates de la bentonite varie suivant l'origine (marine ou douce) et la température de l'eau qui a circulé au travers des dépôts pyroclastiques à l'origine de la bentonite ainsi que suivant le mode de précipitation du carbonate (Guyonnet 2008). Les ratios isotopiques sont exprimés par rapport à une roche standard; "PDB" ou "Pee Dee Belemnite", qui est une bélemnite fossile trouvée dans une formation géologique en Caroline du Nord, et comparés à des bentonites de différentes origines.

1000

13 13

12 1213

13

12

−δ = sample standard

standard

C CC C

C ×C

C

(II -1)

1000

O O

O OO

O

O

18 18

16 1618

18

16

−δ = sample standard

standard

×

(II -2)

4.2.4 Gonflement

Le gonflement libre est un essai rapide et peu coûteux. Il permet aussi d’avoir une idée de l’influence de la solution d’hydratation. La quantité et la nature des ions en solution ont une

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influence sur le gonflement. Les distances entre les molécules d’argile dépendent de la présence d’anions ou de cations dans la solution. Le principe du gonflement libre est l’étude de l’augmentation de volume après sédimentation dans un fluide (normes ASTM D5890-06 et XP P84-703). En effet, pour connaître le gonflement, on lit dans une éprouvette graduée le volume occupé par l’argile au bout de 24h et de 48h (Egloffstein 1994, Von Maubeuge 2004). Les bentonites calciques atteignent généralement un volume de gonflement de 8 à 10 mL alors que les bentonites sodiques de bonne qualité ont un gonflement supérieur à 25 mL (Shakelford 2000). La détermination de la capacité de gonflement d'une bentonite est un essai vraiment facile et rapide à réaliser et qui donne des résultats fiables pour évaluer la qualité de la bentonite.

4.2.5 Essai de filtration L'essai de filtration permet de déterminer de manière fiable la perméabilité des bentonites (norme ASTM D5891-02). En effet, cet essai consiste à mesurer le volume de fluide qui passe au travers d'un cake de bentonite sous une pression de 690 kPa. Il permet de visualiser la dispersion de la bentonite dans une suspension et d'estimer sa capacité à former un cake imperméable (Von Maubeuge 2004).

4.3. Essais sur les Géosynthétiques bentonitiques

Pour caractériser les GSB, il faut tenir compte des propriétés de la bentonite et des géotextiles mais il est aussi obligatoire de considérer les performances de l’ensemble car le processus de fabrication et de liaison joue un rôle significatif.

4.3.1 Les essais d’identification

La masse surfacique du GSB est déterminée par pesées d'échantillons de dimensions connues et prélevés sur toute la largeur du GSB (norme EN 14 196:2001). La masse surfacique correspond à une teneur en eau donnée; il est donc également nécessaire de mesurer la teneur en eau. La teneur en eau initiale de leur livraison varie entre quelques pourcents et 20% selon les conditions climatiques. La mesure de l'épaisseur du GSB est plus difficile à réaliser car celle-ci est plus ou moins uniforme suivant les différentes formes de la bentonite (poudre ou granulés), les géotextiles et leur mode de liaison (cousus, aiguilletés…). La norme utilisée (norme ASTM D 1777-75) précise les différentes contraintes sous lesquelles l'épaisseur du GSB est mesurée.

4.3.2 Les essais de caractérisation

4.3.2.1 Propriétés de transfert de masse

La conductivité hydraulique des GSB est évaluée dans un perméamètre aux parois rigides ou oedoperméamètre avec des contraintes identiques au site. Cet essai est soumis à la norme XP P84-705 et permet après saturation de la bentonite de déterminer la perméabilité d'un GSB

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soumis à une contrainte de confinement. Le contrôle de la saturation de la bentonite sous charge hydraulique nulle s'effectue par la mesure du gonflement et de la quantité de liquide absorbée. L'augmentation de la charge hydraulique n'a lieu que lorsque le gonflement est supérieur à 90% du gonflement obtenu pour un temps infini. Les volumes entrant et sortant sont alors mesurés jusqu'à ce que les flux soient stables. La cellule d'essai permet aussi de réaliser des essais de performance où l'influence du liquide d'essai pourra être étudiée. La mesure de la perméabilité au gaz des GSB saturés est réalisée sur une éprouvette prélevée in situ ou sur une éprouvette hydratée en laboratoire, en suivant une procédure qui permet de contrôler son hydratation, selon la norme XP P84-707. Cet essai consiste à placer l'éprouvette de GSB entre deux matériaux granulaires secs et à la soumettre à une contrainte normale. La mesure du débit volumique de gaz traversant le GSB est ensuite effectuée pour plusieurs valeurs de pression de gaz amont. Les deux essais et appareillages ont étés utilisés au cours de la thèse et seront présentés de manière plus détaillée au chapitre VII.

4.3.2.2 Propriétés mécaniques

Les GSB placés sur les pentes, sous des contraintes de cisaillement importantes, ou encore en contact avec des matériaux anguleux peuvent voir leurs propriétés mécaniques modifiées et être affectés dans leur fonction de barrière hydraulique. Plusieurs essais permettent ainsi de déterminer les propriétés mécaniques des GSB tels que:

• la résistance à la traction (norme NF ISO 13426-2 et norme ASTM D4595); • la résistance au cisaillement (norme ASTM D6243-08); • la résistance au poinçonnement (norme ASTM D4833-07).

4.3.3 Les essais de durabilité

La faible perméabilité de la bentonite confère aux GSB des propriétés d'endurance tant que celle-ci reste hydratée. Les essais de durabilité sur les GSB ont pour but d'évaluer les performances sur le long terme des GSB lorsqu'ils sont soumis à des facteurs susceptibles de faire diminuer la perméabilité de l'argile, tels que les cycles de gel/dégel, d'humidification/dessiccation, ou encore l'échange cationique. Les études sur le comportement des bentonites lors d'essais de durabilité seront présentées au chapitre VI.

5. Etude comparative des GSB/Argile compactée utili sés en

couverture des ISD

La comparaison entre les GSB et l'argile en termes de performance comme barrière étanche a pris beaucoup d'importance depuis le début de l'utilisation des GSB. Plusieurs auteurs se sont attachés à faire des études comparées des deux matériaux. Cependant une comparaison chiffrée est délicate car les GSB sont souvent associés à des géotextiles et ne remplissent donc

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pas exactement les mêmes fonctions que l’argile compactée. Les comparaisons sont donc généralement d'ordre qualitatif et concernent plusieurs critères comme la mise en œuvre, les flux hydriques ou encore les performances mécaniques (Trauger 1993, Koerner 1994b, Bouazza 2002).

5.1. La mise en œuvre

5.1.1 Facilité de mise en place Les GSB sont plus faciles à mettre en place que l'argile compactée. En effet, la mise en œuvre de l'argile compactée nécessite une plus grande expertise, notamment pour obtenir une compaction et une teneur en eau homogènes (Poignard 1999a). De plus, grâce à leur conditionnement en rouleaux, les GSB sont mis en place de façon plus rapide. Lorsque l'argile nécessaire à la construction de la barrière n'est pas disponible sur le site l'utilisation d'un GSB est beaucoup plus rentable. En effet, ceux-ci peuvent être acheminés plus rapidement et à moindre coût sur l'installation de stockage que l'argile grâce notamment à une quantité plus faible de matériaux nécessaire lors de l'utilisation d'un GSB (Trauger 1993). L'argile compactée peut nécessiter un apport d'eau lors de sa mise en place. En effet, celle-ci doit être installée avec une teneur en eau optimale pour obtenir une perméabilité minimale. Les GSB peuvent être installés à leur teneur en eau de réception même si les recommandations vont dans le sens d'une pré-hydratation des GSB lors de leur mise en place qui d'après de nombreuses études permettrait de réduire l'échange cationique ultérieur de ce dernier. Finalement, la couche support des GSB doit être préparée de manière attentive afin de limiter les éventuels poinçonnements de ce dernier et garantir son efficacité. En revanche la couche support de l'argile ne nécessite aucune précaution particulière.

5.1.2 Résistance à la perforation Les GSB, comme tous les matériaux géosynthétiques, sont fins et donc vulnérables aux dommages causés par une perforation pendant ou après leur installation. Le gonflement des GSB leur confère une capacité d'auto-cicatrisation de certaines perforations comme par exemple celle causée par la pénétration d'un objet pointu comme un clou. Au contraire l'argile compactée déposée avec une épaisseur conséquente sur le site ne peut pas être perforée. Les GSB ont donc en général une résistance au poinçonnement inférieure à celle de l'argile compactée.

5.2. Le comportement hydraulique

5.2.1 Flux hydrique Les essais en laboratoire effectués dans un perméamètre aux parois flexibles sous des conditions identiques à celles rencontrées sur un site donne des valeurs de conductivités hydrauliques pour les GSB comprises entre 6×10-11 m/s et 3×10-10 m/s (Koerner 1994a, Daniel 1998).

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La conductivité hydraulique de l'argile compactée de 30 à 90 cm d'épaisseur varie elle entre 10-9 m/s et 10-10 m/s (Koerner 1994a). Les deux matériaux sont donc équivalents en termes de flux hydrique et en considérant les épaisseurs couramment employées.

5.2.2 Flux gazeux L'argile compactée est mise en place à teneur en eau optimale et est donc de ce fait pratiquement imperméable aux gaz. Mais les éventuelles fissures à certains endroits de la barrière liées à sa dessiccation et/ou aux tassements peuvent rapidement devenir des chemins préférentiels et compromettre la faible perméabilité au gaz de la totalité de la couche d'argile. L'équivalence des GSB et de l'argile compactée en terme de perméabilité au gaz peut être démontrée si le GSB est suffisant hydraté. Cette équivalence est généralement admise lorsque les GSB sont utilisés en couverture car ceux-ci reçoivent un apport en eau suffisant grâce au contact avec l'eau de pluie et aux remontées de gaz saturés en vapeur d'eau (Koerner 1994b).

5.2.3 Echange cationique Les GSB sont beaucoup plus vulnérables à l'altération chimique que l'argile du fait de leur constitution même (la bentonite est particulièrement sensible à l'échange cationique), mais aussi à cause de leur faible épaisseur. En effet, la bentonite calcique étant plus perméable que la bentonite sodique, l'échange cationique couplé à une épaisseur faible du GSB entraîne une augmentation de la conductivité hydraulique de la barrière (Ruhl et Daniel 1997) (Voir Chapitre IV section 2.1).

5.3. Le comportement mécanique

5.3.1 Réponses aux tassements différentiels Les travaux de LaGatta et Boardman (1997) ont montrés que les GSB, contrairement à l'argile compactée, peuvent supporter de grands efforts de traction sans que leur conductivité hydraulique n'augmente. En effet, l'argile normalement compactée ne peut pas supporter un effort de traction de plus de 0,85% sans présenter des fissures; pour la bentonite cet effort monte à 3,4%. LaGatta a même mesuré des efforts plus grands, entre 10 et 15%, sans observer de fissure dans les GSB probablement grâce aux geotextiles qui ont un effet bénéfique de renforcement et confinement sur la bentonite. Dans tous les cas, toutes les données indiquent que les GSB peuvent être considérés comme supérieurs aux argiles compactées en termes de résistance aux dommages causés par les tassements différentiels.

5.3.2 Cycles de gel/dégel L'argile compactée est sensible aux cycles de gel/dégel qui entraînent une augmentation de sa conductivité hydraulique (Benson and Othman 1993).

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Les études en laboratoire montrent qu’à l'inverse, les GSB ne semblent pas être affectés par ces cycles (Koerner 1994b). En effet, Hewitt et Daniel (1997) ont trouvé pour des GSB aiguilletés une perméabilité inférieure à 10-9 m/s après trois cycles de gel/dégel. Les GSB apparaissent donc supérieurs à l'argile compactée en termes de résistance aux cycles de gel/dégel.

5.3.3 Cycles d'humidification/dessiccation L'humidification et la dessiccation entraînent respectivement des phénomènes de gonflement et de retrait pour les deux matériaux (Koerner 1994b). L'argile compactée est fortement affectée par la dessiccation qui amène la création de fissures et cause de ce fait une augmentation de sa perméabilité (McBrayer 1997). La dessiccation des GSB même initialement humide entraîne aussi une formation de fissures mais la réhydratation de ces derniers permet à la bentonite de gonfler et de s'autocicatriser lorsque la teneur en eau de la bentonite ne devient pas inférieure à 5% (Boardman et Daniel 1996). En effet, les GSB sont constitués de bentonites qui sont des argiles beaucoup plus gonflantes que les argiles moyennes. Les GSB apparaissent donc supérieur aux argiles compactées grâce à leur capacité de cicatrisation lorsque ces matériaux sont séchés puis réhydratés.

6. Conclusion

Dans ce chapitre les matériaux naturels utilisés ainsi que leurs propriétés physiques et chimiques ont été présentés. Les critères pour lesquels les GSB présentent une performance inférieure à l'argile, sont principalement la résistance au poinçonnement et l'altération chimique. En revanche, les principaux avantages des GSB sont :

• facilité, rapidité et coût inférieur lors de la mise en œuvre ; • sensibilité moindre aux tassements différentiels et aux cycles de gel/dégel ; • propriétés auto cicatrisantes lorsqu'ils sont hydratés qui leur confère une bonne

résistance aux cycles d'humidification/dessiccation. L'équivalence entre les deux matériaux semble assurée pour les critères hydrauliques. Le tableau II-2 présente le bilan de l'équivalence entre ces deux matériaux.

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Catégorie Critère d'évaluation

Les GSB sont supérieurs à l'argile

Les GSB sont équivalents à l'argile

Les GSB ne sont pas équivalents à l'argile

Mise en œuvre Facilité de mise en place X Rapidité de mise en place X Disponibilité des matériaux X Nécessité d'un apport en eau X Etat de la couche support X Résistance à la perforation X Comportement hydraulique Perméabilité à l'eau X Perméabilité au gaz X Echange cationique X Comportement mécanique

Réponse aux tassements différentiels X

Cycles de gel/dégel X

Cycles d'humidification/dessiccation X

Table. II -2

Bilan de l'équivalence entre les deux matériaux.

59

Chapitre III :

Phénomènes de transfert dans ces milieux

poreux non saturés

60

61

1. Introduction

Ce chapitre est dédié à l'étude du comportement hydrique de ces matériaux argileux utilisés en couverture des ISD qui sont considérés comme des milieux poreux non saturés. Les principaux modes du transfert d'eau et de gaz au travers de barrières argileuses sont présentés. La loi de Darcy, à la base de tous les calculs de perméabilité pour un écoulement advectif, est ensuite détaillée et ses limites étudiées. Les notions de perméabilité effective, intrinsèque et relative sont ensuite définies et les facteurs affectant ces perméabilités discutés. Finalement l'argile compactée et les géosynthétiques bentonitiques sont à nouveau comparés grâce au calcul de l'équivalence entre barrières de conception différentes.

2. Caractéristiques du milieu poreux

D'un point de vue général, un matériau poreux à l'état naturel est un milieu hétérogène triphasique constitué d'une phase solide, d'une phase liquide et d'une phase gazeuse. Au niveau macroscopique, la description complète d'un tel milieu suppose donc la description de chacune de ces phases et de leurs proportions relatives. Plusieurs paramètres peuvent être définis.

2.1. Poids volumique et porosité La répartition entre les vides et la phase solide du matériau poreux est définie par son poids volumique et sa porosité. Le poids volumique sec correspond au poids de la phase solide seule rapportée au volume total (III-1).

sd

P

Vγ =

(III -1)

La porosité est un indice du volume relatif des pores dans le matériau. Elle est définie comme le rapport entre le volume des vides et le volume total (III-2).

VV

Vε =

(III -2)

Sur site la porosité des argiles est très variable car le sol est soumis à des cycles de gonflement (de 0,9 à 0,4) (Camp 2004).

62

2.2. Teneur en eau et saturation La teneur en eau est le paramètre indicateur de la fraction d'eau présente dans le matériau. Celle-ci peut être définie par différents paramètres selon qu'elle représente la quantité d'eau par rapport à la masse totale de solide, le volume de matériau, le volume des vides, etc… En géotechnique l'expression la plus couramment utilisée est la teneur en eau pondérale qui est le rapport entre la masse d'eau et la masse de matériau sec (III-3).

w

d

Mw

M=

(III -3)

Le degré de saturation d'un matériau définit le degré de remplissage de ses pores par l'eau. Il est défini comme le rapport entre le volume d'eau et le volume total des vides (III-4).

wr

V

VS

V=

(III -4)

3. Mécanismes des transferts de masse dans un milie u poreux

Le transfert de matière à travers un milieu a lieu sous l'effet d'un gradient énergétique. Ce gradient énergétique peut être un gradient de pression (advection) ou un gradient de concentration (diffusion).

3.1. Les différents modes de transferts de masse

3.1.1 Transfert advectif Le flux advectif se produit sous l’effet d’un gradient de pression totale du fluide. Son mouvement est régi par l’interaction mutuelle entre les molécules du liquide, caractérisée par la viscosité du fluide. La masse de matière transportée par advection par unité de surface et de temps est donnée par son flux massique f (Rowe 1995):

af v C vCε= =

(III -5)

Où ε est la porosité effective du matériau (sans dimension); va est la vitesse d' infiltration;

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C est la concentration en matière à un point et un temps donné, c'est-à-dire la masse de matière par unité de volume du fluide; v est la vitesse de Darcy.

La description de l’écoulement de la phase gazeuse s’avère être plus complexe. En effet, le gaz est sujet à plusieurs types d’écoulements. Suivant la taille des pores du milieu, on aura soit un écoulement visqueux, soit un écoulement par glissement (Perraton 1992, Dal Pont 2004, Chastanet 2004) (Fig. III-1).

3.1.1.1 Ecoulement visqueux

Il se produit lorsque le libre parcours moyen des molécules de gaz (λ) est inférieur au rayon des pores (λp) et au rayon des particules elles mêmes (rp), c’est-à-dire lorsque λ << λp et λ << rp. Tout comme l’écoulement visqueux des liquides, l'écoulement visqueux des gaz est régi par l’interaction mutuelle entre les molécules de gaz, caractérisée par la viscosité du gaz.

3.1.1.2 Ecoulement par glissement (slip-flow)

C’est l’écoulement lié au phénomène de non adhérence de molécules du gaz au contact de la paroi des pores. En effet, ce phénomène apparaît lorsque le libre parcours moyen des molécules de gaz (λ) est approximativement égal au rayon des pores (λp) et est attribué à la structure moléculaire discontinue du gaz. Cet écoulement spécifique aux gaz est indépendant de la viscosité du fluide (Carman 1956) et sa contribution dans l'écoulement général des gaz devient négligeable lorsque le diamètre des pores est très supérieur au libre parcourt moyen (λ) (Klinkenberg 1941). Le libre parcourt moyen des molécules de gaz correspond à la distance parcourue par une particule entre deux chocs successifs; cette distance dépend de la pression et de la température:

22Bk T

P dλ

π=

(III -6)

Où kB est la constante de Boltzmann;

T est la température; P est la pression; d représente le diamètre des molécules; √2πd2 est la section efficace de choc (0,43 nm2 pour l'oxygène et l'azote).

64

Fig. III -1 Profil des vitesses d’un gaz dans un pore rectiligne.

3.1.2 Transfert Diffusif Le transfert diffusif représente le phénomène selon lequel le gradient de concentration entre deux milieux tend à être équilibré par le passage de molécules du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré. C'est la première loi de Fick:

i e

cJ D

zε ∂= −

∂

(III -7)

Où Ji représente le flux de matière de l'élément considéré traversant une unité de surface par

unité de temps dans le sens opposé au gradient de concentration; ε est la porosité effective du matériau; De est le coefficient de diffusion; ∂c/∂z est le gradient de concentration.

Dans les argiles le transfert par diffusion se fait par propagation des molécules d'un fluide dans un autre: la taille des pores reste grande devant la taille des molécules diffusées. Dans les milieux très peu poreux le phénomène de diffusion devient prédominant par rapport à la dispersion et à l'advection.

3.1.3 Dispersion Lorsque la migration de matière est associée à un flux élevé comme dans les aquifères par exemple, il apparaît un troisième mécanisme de transport appelé la dispersion. La dispersion mécanique traduit le fait que les éléments chimiques occupent lors du transfert de matière un volume de plus en plus grand dans le temps et dans l'espace. Bien que ce phénomène soit totalement différent du processus de diffusion, la dispersion est aussi décrite par la première loi de Fick:

m m

cJ D

zε ∂= −

∂

(III -8)

65

Où Jm représente le flux de matière de l'élément considéré traversant une unité de surface par

unité de temps; ε est la porosité effective du matériau; Dmest le coefficient de dispersion mécanique; ∂c/∂z est le gradient de concentration.

Ce phénomène de dispersion mécanique est souvent couplé avec le phénomène d'advection lorsque le milieu présente suffisamment de pores ouverts.

3.2. Equation différentielle gouvernant les phénomènes de transfert

Le flux massique transporté par unité de surface et de temps par le couplage des trois phénomènes de transfert advectif (III-5), diffusif (III-7), dispersif (III-8) est donné par l'équation:

cf vc D

zε ε ∂= −

∂

(III -9)

Avec D le coefficient de dispersion hydrodynamique;

e mD D D= +

(III -10)

3.3. Importance relative des différents mécanismes de transfert De nombreux essais en laboratoire ont été menés afin de vérifier l'applicabilité de l'équation différentielle gouvernant les phénomènes de transfert (III-9). Les résultats indiquent que pour des vitesses d'écoulement relativement faibles le coefficient de dispersion hydrodynamique D devient égal au coefficient de diffusion De (Fig.III-2) tandis que pour des vitesses plus élevées, celui-ci varie linéairement avec la vitesse de l'écoulement (Perkins et Johnston 1963). La nature des mécanismes de transfert dépend de la vitesse d'écoulement de l'eau (Fig. III-2) (Rowe 1995). Pour des vitesses d'écoulement généralement observées dans les barrières étanches contenant un GSB et qui sont soumises à des gradients de pression, les deux phénomènes d'advection et de diffusion peuvent avoir lieu mais pas la dispersion mécanique. Mais même si dans notre cas, l'advection n'est plus le seul mécanisme de transfert, c'est à partir de la loi de Darcy que les transferts de masse sont modélisés car les flux traversant la couche argileuse sont soumis à des gradients de pression (convection forcée).

66

Comparaison des mécanismes de transfert (Rowe 1995). i est le gradient hydraulique.

3.4. La loi de Darcy

3.4.1 Définition La loi de Darcy (Darcy 1856) est à la base de tous les calculs de perméabilité. En effet, elle décrit l’écoulement des fluides, liquides et gazeux, à travers les milieux poreux. Cette loi met en relation la vitesse d'infiltration du fluide à travers le milieu poreux et la perte de charge. La vitesse d'infiltration n’est pas une vitesse réelle du fluide mais une vitesse moyenne sur une section de l’échantillon traversée par le fluide. Elle s’écrit d’une manière générale :

ff f

dhqv K i K

A dl= − = = −

(III -11)

Où v et q sont respectivement la vitesse et le débit d'infiltration;

i est le gradient hydraulique; A est la section de l'élément de sol testé perpendiculaire à la direction de la filtration; dhf est la perte de charge du fluide au travers de l'élément de sol testé; dl est la longueur de l'élément de sol testé; Kf est la conductivité du milieu poreux au fluide testé.

Pour des vitesses d'infiltration négligeables la charge hydraulique h en un point est définie par:

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 v (m/a)

K (m/s) avec i=1

10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4

Dispersion mécanique négligeable Dispersion mécanique dominante

devant la diffusion

Diffusion dominante Advection dominante devant la diffusion Advection et

diffusion aussi importantes

Fig. III -2

67

ww

Ph z

γ= +

(III -12)

Dans le cas des gaz, la pesanteur peut être négligée, la charge se simplifie donc par :

gg

Ph

γ=

(III -13)

Où z est la cote du point; P est la pression au point considéré; γf est le poids volumique du fluide. Le gradient hydraulique i est défini par:

fdhi

dl=

(III -14)

Où dhf est la perte de charge correspondant à un trajet des particules de longueur dl.

K varie suivant le fluide, liquide ou gaz, par sa masse volumique et sa viscosité dynamique.

3.4.2 Limites de la loi de Darcy Cette loi peut être appliquée à tous les cas d’écoulements visqueux si l’on respecte plusieurs conditions :

• La résistance à l’écoulement doit être entièrement due à la force de viscosité (forces d’inerties négligeables);

• le fluide d’infiltration doit être inerte vis-à-vis du milieu poreux, c'est-à-dire qu’il ne doit y avoir aucune interaction chimique ou physique entre le fluide et le matériau.

D'autre part, la loi de Darcy a d'abord été formulée pour des sables donc pour des sols poreux grenus. L'extension aux sols argileux est à examiner dans le cas des gradients forts et faibles ou certaines déviations de la loi ont été observées.

3.4.3 Gradient hydraulique élevé

Pour des valeurs élevées du gradient hydraulique il existe un gradient limite au delà duquel l'écoulement dans les pores de l'argile devient perturbé et la loi de Darcy peut ne plus être linéaire. Ce gradient limite dépend du milieu considéré et est défini par le critère du nombre de Reynolds (sans dimension):

68

Rei f

f

v k ρη

=

(III -15)

Où v est la vitesse d'infiltration;

ki la perméabilité intrinsèque; ρf densité du fluide; ηf viscosité dynamique du fluide.

Les écoulements du fluide sont supposés laminaires pour des valeurs du nombre de Reynolds comprises entre 1 et 10 (Bear 1972), la loi de Darcy est alors valable. Au delà de 10, le régime devient transitoire et à partir de 100 est turbulent. Dans les argiles de type montmorillonite confinées le régime d'écoulement est laminaire; et les expériences effectuées sur ce type d'argile très imperméable (Kw < 10-11 m/s) montrent que la proportionnalité entre v et i est respectée.

3.4.4 Gradient hydraulique faible

De nombreux auteurs ont observé des phénomènes de non-linéarité de la loi de Darcy pour des faibles gradients hydrauliques (Hansbo 1960, Miller et Low 1963, Olsen 1962). Plusieurs auteurs proposent une relation non linéaire entre vitesse et gradient hydraulique (Hansbo 1960, Olsen 1965). Cette équation possède un gradient seuil i0 en dessous duquel la perméabilité est nulle (III-16).

nfv K i=

(III -16)

Où n ≥ 1 est un coefficient qui varie en fonction de la porosité et de la température. A partir d'une certaine valeur du gradient il la relation est remplacée par une droite (comportement darcien). L'équation (III-17) donne la vitesse lorsque la relation redevient linéaire.

0( )fv K i i= −

(III -17)

Où i0 est le point d'intersection de la tangente à l'équation (II-17) avec l'axe des gradients (Fig. II-9).

0

( 1)l

ni i

n

−=

(III -18)

On a donc pour i=i l: n 1

lK nki −=

(III -19)

69

Les valeurs de i0 et il varient suivant les argiles: i1 peut atteindre 2,5; 3 ou encore des valeurs beaucoup plus élevées pour des montmorillonites calciques et sodiques (Hansbo 1960, Miller et Low 1963). Les valeurs de n enregistrées par Hansbo sont comprises entre 1 et 1,5 pour des gradients hydrauliques compris entre 1 et 30. Ces relations sont peu utilisées pour l'étude de la perméabilité des argiles compactées car les variations sont estimées petites devant la précision des essais de perméabilité effectués in situ et en laboratoire (Olsen 1965).

Fig. III -2

Représentation de la non-linéarité de la loi de Darcy d'après Hansbo (1960).

4. Perméabilité du milieu poreux

4.1. Perméabilités effectives Les conductivités à l'eau (Kw) et au gaz (Kg) calculées avec la loi de Darcy dépendent du fluide utilisé. Si l’on considère qu’il n’y a pas d’interaction entre les différents fluides, la loi de Darcy peut être appliquée pour chaque fluide du système (Dullien 1979). De plus, comme nous sommes en milieu non saturé, la loi de Darcy est valable pour une saturation en eau donnée. On définit alors la perméabilité effective du milieu poreux kef qui ne dépend plus que de la structure du milieu poreux et du degré de saturation en eau et en gaz du milieu poreux. On a donc pour l’eau:

wew w

w

k Kηρ

=

(III -20)

v = Kf (i-i 0)

v = Kf in

i

v

i0 il

70

Où kew est le coefficient de perméabilité effectif à l’eau du matériau; ηw la viscosité dynamique de l’eau. Et pour les gaz:

geg g

g

k Kηρ

=

(III -21)

Où keg est le coefficient de perméabilité effectif au gaz du matériau; ηg la viscosité dynamique du gaz.

4.2. Perméabilité intrinsèque Lorsque le milieu poreux est saturé en eau (Sw = 100%) ou en gaz (Sg = 100%), on accède à la perméabilité intrinsèque ki du milieu poreux. Cette perméabilité est un paramètre intrinsèque de la structure poreuse du milieu et est théoriquement indépendante du fluide utilisé, c’est-à-dire :

( 100%) ( 100%)eg g ew w ik S k S k= = = =

(III -22)

Où ki [m

2] est la perméabilité intrinsèque du milieu. La perméabilité ki du milieu peut donc être reliée à sa conductivité hydraulique par la relation suivante :

ww i

w

gK k

ρη

=

(III -23)

Klinkenberg (Klinkenberg 1941) a observé que les écarts notables de perméabilité que l’on mesure entre un liquide et un gaz sont de plus en plus faibles lorsque la perméabilité du milieu augmente. Il en a déduit que la valeur du coefficient de perméabilité est indépendante de la nature du fluide (liquide ou gaz) pour des niveaux de pression très élevés. Klinkenberg a donc proposé la relation générale suivante pour décrire l’écoulement des gaz à travers le milieu poreux :

(1 )eg vm

bk k

P= +

(III -24)

avec kv le coefficient de perméabilité au gaz pour une pression infinie; b le coefficient de Klinkenberg, coefficient représentant le glissement; Pm la pression moyenne.

71

4.3. Perméabilités relatives La perméabilité relative est fonction de la saturation du milieu et est définie comme la perméabilité du milieu non saturé pour une saturation donnée divisée par la perméabilité pour une saturation de 100% :

i

wewwrw k

SkSk

)()( =

(III -25)

et i

geggrg k

SkSk

)()( =

(III -26)

avec ki la perméabilité pour une saturation de 100% du milieu ou perméabilité intrinsèque.

La perméabilité ki pour une saturation de 100% étant difficile à obtenir expérimentalement, plusieurs expressions ont été développées afin de relier directement kr avec la saturation (Table. III-1) :

Table. III -1

Expressions permettant de relier kr à la saturation Se.

Avec Se est la saturation effective:

1w rw

erw

S SS

S

−=−

(III -27)

Où Srw est la saturation résiduelle en eau.

Les courbes des perméabilités relatives en fonction de la saturation du milieu nous permettent de relier les perméabilités relatives à l’eau et au gaz (Scheidegger 1969, Dullien 1979) (Fig. III-4).

72

Perméabilités relatives en fonction de la saturation en eau et en gaz.

5. Facteurs affectant la perméabilité des sols fins

5.1. Température Les flux d'eau et de gaz sont directement liés à leur viscosité: plus la valeur de la viscosité est élevée, plus le débit est faible. De façon générale la viscosité est très sensible à la température; quand on élève la température, la viscosité diminue pour les liquides et augmente pour les gaz (Joulié 1998). En effet, dans les liquides l'élévation de la température provoque une augmentation des distances intermoléculaires qui génère des frottements plus faibles au sein du fluide donc une viscosité plus faible. A l'inverse, dans les gaz l'augmentation de température entraîne une augmentation de la vitesse des molécules et donc une augmentation du taux de collision. La viscosité augmente donc quand la température augmente.

1

2g g gn vη ρ λ=

(III -28)

Où ηg la viscosité dynamique du gaz; ng le nombre de molécules de gaz; ρg la masse volumique du gaz; λ le libre parcours moyen des molécules de gaz;

v la vitesse moyenne des molécules de gaz.

Fig. III -4

73

Lorsque les mesures sont effectuées à différentes températures, il faut donc ramener les valeurs calculées de vitesse et de perméabilité à une température de référence. La référence est en général la température de 20°C pour laquelle la viscosité dynamique de l'eau est égale à 1 mPa.s. On a alors:

20 Tk k bη° =

(III -29)

Où k20° et kT sont les perméabilités à 20°C et à la température T (°C); bη est un coefficient calculé à partir des valeurs de viscosité de l'eau à 20°C et à la

température T(°C). Avec:

20

Tbηηη °

=

(III -30)

Où η20° et ηT sont les viscosités dynamiques à 20°C et à la température T (°C). Parmi les relations qui tentent d'exprimer la viscosité en fonction de la température on peut

citer principalement:

• pour les liquides

La relation d'Andrade: 21 exp

CC

Tη =

(III -31)

Où C1 et C2 sont des coefficients caractéristiques du liquide (pour l'eau par exemple entre

20°C et 100°C, C1=2,645×10-6 Pa.s et C2=1739 K.).

• pour les gaz

La relation de Sutherland:

1

2

1

ATB

T

η =+

(III -32)

Où A et B sont des coefficients qui dépendent de la nature du gaz (pour l'air par exemple

A=1,465×10-6; B=113 en unités SI.)

74

5.2. La porosité La porosité nous renseigne sur le volume des pores dans le matériau poreux. La tortuosité est un paramètre géométrique du milieu poreux défini comme le rapport moyen du chemin réel parcouru par une particule d'eau dans le matériau poreux sur le chemin rectiligne parallèle à l'axe de l'écoulement. De nombreux auteurs ont tentés de corréler la perméabilité d'un milieu à sa porosité. La théorie de Carman (1956) est basée sur un concept de rayon hydraulique défini comme le rapport entre la section transversale des pores et leurs circonférences. L'équation dite de Kozeny-Carman est la suivante:

3

2 2 20 (1 )r

kcT S

εε

=−

(III -33)

Où ε est la porosité;

S0 la surface de contact avec le fluide prise égale à la surface spécifique des grains; Tr une constante représentant un facteur de tortuosité généralement supérieur ou égal à √2; c un coefficient de forme des pores proche de 2,5.

5.3. Taille des mottes

Dans le cas de matériaux rapportés, il est difficile de fragmenter suffisamment le matériau pour le compacter et il se présente souvent sous forme de mottes (Cazaux 1998). Daniel (1984) a étudié l'influence de la taille des mottes sur la perméabilité d'argiles compactées. Il a montré qu'il pouvait exister un rapport de 30 entre la perméabilité obtenue sur une argile compactée en mottes de 10 mm et une argile compactée en mottes de 2 mm. Ses résultats ont aussi démontré que la perméabilité est indépendante de la taille des mottes lorsque le matériau compacté possède une teneur en eau élevée (supérieure à wopt).

6. Calcul de l'équivalence entre barrières de conce ption

différentes

Depuis quelques années il est de plus en plus fréquent de prendre en compte l'impact environnemental potentiel dans l'élaboration de la conception des sites de stockage. Cette prise en compte nécessite l'utilisation de modèles mathématiques qui simulent l'émission de substances indésirables par les sites de stockage et leur migration dans le milieu (MEEDDAT 2008). Guyonnet (1998) a proposé une expression mathématique originale permettant d'évaluer "l'équivalence" en termes d'impact potentiel, de différentes configurations de barrières multicouches.

75

En effet, l'équation classique de transport des polluants par advection et diffusion-dispersion en une dimension est (Guyonnet 2000):

2

20

C C Cv D

t x x

∂ ∂ ∂+ − =∂ ∂ ∂

(III -34)

Où C est la concentration du soluté au point x et au temps t;

D est le coefficient de diffusion-dispersion; va est la vitesse d'infiltration de l'eau.

L'équation (III-34) peut être résolue analytiquement pour des géométries relativement simples. Guyonnet (1998) propose une solution analytique au problème de transport de solutés au travers d'un milieu multicouches en régime stabilisé:

0

0

*

1 1 exp( ) ( )

E

CC

qH iz

iL n z D zδ

=

+ − − ∫

(III -35)

0ù C* est la concentration moyenne de l'aquifère à l'aplomb de la source; C0 est la concentration à la source; E est l'épaisseur totale des couches situées au dessus de l'aquifère; L est la largeur de la zone polluée dans la direction de l'écoulement des eaux souterraines; n(z) est la porosité à la profondeur z; D(z) est le coefficient de diffusion-dispersion à la profondeur z; H est l'épaisseur de la couche de mélange dans l'aquifère; q est le flux de Darcy dans l'aquifère.

Cette équation permet d'estimer de manière simplifiée la concentration maximale induite dans l'aquifère pour une source de concentration constante. Guyonnet a appliqué cette équation à trois cas concrets:

• Cas 1: une couche d'argile de perméabilité égale à 10-9 m/s et d'épaisseur égale à 1 m; • Cas 2: un GSB de perméabilité égale à 5×10-12 m/s et d'épaisseur égale à 1 cm; • Cas 3: un bi-couche composé de haut en bas du GSB et d'une couche d'argile de 30 cm

d'épaisseur (mêmes perméabilités que précédemment). Les concentrations les plus importantes et les temps de parcours les plus brefs sont obtenus pour le cas du GSB seul. Ceci est lié à son épaisseur très réduite qui a eu deux effets principaux: un gradient de concentration plus fort et un temps de parcours du polluant plus bref. En termes de temps de parcours c'est le cas 1 qui est le plus avantageux. En revanche si l'on considère le critère d'équivalence proposé qui consiste à privilégier la concentration induite plutôt que le temps de parcours, le cas bi-couche apparaît comme étant le plus favorable.

76

Il convient toutefois de moduler ces résultats en notant qu'un aspect essentiel n'est pas pris en compte dans le calcul: l'évolution dans le temps des caractéristiques mécaniques et chimiques des matériaux considérés.

7. Conclusion

Ce chapitre a permis de présenter les caractéristiques hydriques des matériaux constituant la barrière étanche des couvertures des ISD. Le transfert de matière à travers des couvertures a lieu principalement sous l'effet d'un gradient de pression et la loi de Darcy est donc à la base de tous les calculs de perméabilité. Ces matériaux sont considérés comme des milieux poreux non saturés; la loi de Darcy peut être appliquée pour chaque fluide du système en considérant qu’il n’y a pas d’interaction entre les différents fluides. La perméabilité effective du milieu poreux kef définie est une perméabilité du matériau qui ne dépend plus que de la structure du milieu poreux et du degré de saturation en eau et en gaz du milieu poreux. Cette présentation générale est complétée au chapitre suivant qui constitue une synthèse de l'état actuel des travaux menés pour étudier l'évolution de ces caractéristiques au cours du temps.

77

Chapitre IV :

Caractérisation des propriétés d'étanchéité et

de vieillissement des matériaux de

couverture

78

79

1. Introduction

Ce chapitre est dédié à la caractérisation des propriétés d’étanchéité et vieillissement des matériaux d'étanchéité. Ainsi, on s'intéresse plus particulièrement aux propriétés d’étanchéité de la barrière aux différents fluides auxquels celle-ci est soumise sur un site. L'étude bibliographique présentée ici passe donc en revue successivement les essais en laboratoire et les essais sur site.

2. En laboratoire

2.1. Etudes et essais concernant la perméabilité à l'eau des matériaux

d'étanchéité en laboratoire De nombreuses études ont été menées en laboratoire sur l'évolution de la conductivité hydraulique et du gonflement des GSB traversés par différentes solutions inorganiques. La majorité de ces études ont conclu que la conductivité hydraulique et le gonflement des GSB sont sensibles à la concentration en cations des solutions et que la pré-hydratation du GSB peut réduire cette sensibilité.

2.1.1 Paramètres liés aux conditions initiales du GSB Une première partie de ces travaux étudie plus particulièrement les paramètres liés aux conditions initiales du GSB telles que la pression de confinement à laquelle il est soumis, les conditions de pré-hydratation ou encore la qualité initiale de la bentonite. Petrov et Rowe (Petrov 1997) et Vasko et al. (2001) ont testé la perméabilité en perméamètres et le gonflement de GSB sodiques de 3,5 kg/m2 et 5 kg/m2 en fonction de différents liquides de percolation (eau DI, solutions aqueuses salines avec des concentrations en NaCl de 0,01 et 2,0M, lixiviat synthétique de type déchets municipaux) et soumis à différentes pressions de confinement (de 3 kPa à 124 kPa). L'augmentation de la concentration en sel de la solution et la diminution de la pression de confinement ont entraîné une augmentation de la conductivité hydraulique (Table.IV-1). En effet, Petrov a montré que pour une même pression de confinement, K augmente d'un facteur 13 lorsque l'échantillon pré-hydraté à l'eau distillée est ensuite hydraté avec la solution de 0,01M NaCl, et d'un facteur 43 lorsqu'il est hydraté avec la solution de 2,0M NaCl. De plus, pour une même concentration en sel de la solution hydratante K diminue d'un ordre et demi lorsque la contrainte de confinement augmente. Vasko et al. ont montré que pour des solutions de CaCl2 de concentration supérieure à 0,01M la conductivité hydraulique augmente de 3×10-9m/s à 1×10-6m/s lorsque la teneur en eau de pré-hydratation de l'échantillon passe de 150% à 9%. L'importance du degré d'hydratation de la bentonite lors de l'application de la pression de confinement a aussi été soulignée. En effet, l'application d'une contrainte de confinement suffisante lors de la pré-hydratation engendre une conductivité hydraulique 3 fois plus faible que lorsque la pré-hydratation s'effectue sous une faible contrainte de confinement. Pour

80

Petrov, la perméabilité du GSB dépend donc principalement de trois facteurs: la teneur en sels du liquide de percolation, l'indice des vides dans la couche d'argile et la forme initiale de l'argile, dépendante du mode d'hydratation. Vasko et al. ont aussi trouvé des conductivités inférieures pour des échantillons ayant bénéficiés d'une pression de confinement lors de leur pré-hydratation mais uniquement lorsque la teneur en eau de pré-hydratation de l'échantillon est supérieure à 100% (Table.IV-1). Pour Vasko et al., d'autres essais sont nécessaires pour clarifier l'importance du confinement des GSB pendant leur hydratation.

Etude Liquide de pré-

hydratation

Teneur en eau après la pré-hydratation

(%) Liquide

d'hydratation

Pression de confinement

(kPa) Conductivité

hydraulique (m/s) Petrov Eau DI DI Water 3 to 4 kPa 5.2×10-11 1997 33 to 36 kPa 1.3×10-11 101 to 108 kPa 7.5×10-12 NaCl 0.01M 3 to 4 kPa 6.0×10-11 33 to 36 kPa 1.5×10-11 101 to 108 kPa 5.0×10-12 NaCl 0.1M 3 to 4 kPa 1.2×10-10 33 to 36 kPa 2.0×10-11 101 to 108 kPa 6.5×10-12 NaCl 1M 3 to 4 kPa 9.0×10-10 33 to 36 kPa 8.0×10-11 101 to 108 kPa 2.0×10-11 NaCl 2M 3 to 4 kPa 3.0×10-9 33 to 36 kPa 5.0×10-10 101 to 108 kPa 6.0×10-11 Vasko et al. Eau DI 50 CaCl2 0.1M Non 9.7×10-7 2006 50 Oui 1.0×10-6 100 Non 9.6×10-8 100 Oui 5.2×10-9 133 Non 2.5×10-8 133 Oui 2.6×10-9 50 CaCl2 1M Non 7.2×10-8 50 Oui 8.6×10-7

Table. IV -1

Perméabilité de GSB sodiques en fonction de différents liquides de percolation et soumis à différentes pressions de confinement.

La perméabilité et le gonflement de plusieurs GSB en contact avec diverses solutions (eau du robinet, lixiviats, eau acidifiée, une solution de soude, eau de mer) et soumis à des conditions d'hydratations différentes (pré-hydratation avec l'eau du robinet, ou les autres solutions) ont été étudiés par Ruhl et Daniel (Ruhl 1997) puis par Shan et Lai (Shan 2002). Ruhl et Daniel ont montré au travers de leurs résultats que les conditions d'hydratation du GSB sont déterminantes. En effet avec toutes les solutions, les échantillons pré-hydratés avec l'eau du robinet présentent des conductivités hydrauliques inférieures de plusieurs ordres à celles des GSB directement hydratés avec les solutions (Table. IV-2). Shan et Lai (Shan 2002) ont trouvé les mêmes résultats. En effet, ils ont effectué des essais de perméabilité en

81

perméamètre et de gonflement sur deux échantillons de GSB (3,6 kg/m2 sodique aiguilleté et collé) avec quatre liquides de pré-hydratation et de percolation: eau du robinet, eau de mer, eau acidifiée, lixiviat et gazole. Là aussi les GSB pré-hydratés avec l'eau du robinet puis percolés avec les autres solutions présentent des conductivités hydrauliques inférieures aux échantillons directement hydratés avec les solutions (Table. IV-2).

Etude Type de GSB Liquide de pré-hydratation Liquide d'hydratation

Conductivité hydraulique (m/s)

Ruhl Sodique aiguilleté Eau du robinet 9.0×10-12 1997 Lixiviat 2.0×10-10 Shan Sodique 3.6 kg/m2 aiguilleté Eau du robinet Eau du robinet 4.4×10-11 2002 Eau DI Eau DI 2.7×10-11 Eau acide (pH=5) Eau acide (pH=5) 2.5×10-11 Eau de mer Eau de mer 1.7×10-7 Lixiviat réel Lixiviat réel 3.0×10-11 Eau du robinet Lixiviat 3.7×10-11 Eau du robinet Eau de mer 2.3×10-11 Eau acide (pH=5) Lixiviat 4.8×10-11

Table. IV -2

La perméabilité de plusieurs GSB en contact avec solutions diverses et soumis à des conditions d'hydratations différentes.

Gleason et al. (Gleason 1997) ont montré que la taille des grains de la bentonite sodique joue un rôle important en présence d'eau chargée. En effet, ils ont étudié la conductivité hydraulique de deux bentonites sodiques et calciques, chacune sous forme de poudre et de granulés. Là aussi différents liquides de pré-hydratation des échantillons et de percolation ont été utilisés (eau du robinet et solution de 0,25M CaCl2). La bentonite sodique s'est avérée 10 fois moins perméable à l'eau du robinet que la bentonite calcique. En présence de la solution de CaCl2 les deux bentonites ont vu leur conductivité hydraulique augmenter mais pas dans les mêmes proportions, en effet, la perméabilité de la bentonite sodique en granulés a le plus augmentée, suivie de celle de la bentonite calcique et enfin c'est la bentonite sodique en poudre qui a vu sa conductivité hydraulique le moins augmenter (Fig.IV-1). La taille des grains de la bentonite sodique joue donc un rôle important en présence d'eau chargée.

82

Fig. IV -1

Résultats des essais de conductivité hydraulique pour la bentonite directement hydratée avec une solution de 0,25M CaCl2 (Gleason 1997).

Lee et al. (Lee 2005) ont trouvé les mêmes résultats sur deux GSB de qualités différentes contenant respectivement 86% et 77% de montmorillonite en granulés. Une augmentation en concentration en CaCl2 engendre une diminution de la limite de liquidité, du volume de sédimentation, du gonflement et une augmentation de la conductivité hydraulique. De plus, le GSB contenant 86% de montmorillonite s'est avéré plus sensible aux attaques chimiques que le GSB de plus basse qualité.

2.1.2 Paramètres liés aux conditions ambiantes du GSB Une deuxième partie de ces études s'est penchée sur l'analyse des paramètres liés aux conditions ambiantes auxquelles un GSB est soumis sur un site. Ces paramètres sont les cycles de dessiccation/humidification, l'échange cationique lorsque le GSB est en contact des eaux chargées issues du milieu environnant, ou encore le vieillissement des GSB in situ. Lin et Benson (2000), Sporer et Gartung (2002) ont montré que les cycles de dessiccation/hydratation peuvent affecter les propriétés d'un GSB car les fissures, crées dans la bentonite lors des dessiccations, ne se referment plus lorsque celle-ci est réhydratée. En effet, Lin et Benson (Lin 2000) ont effectué des essais de gonflement, de perméabilité et de limites d'Atterberg afin de déterminer comment les cycles de dessiccation/hydratation peuvent affecter les propriétés d'un GSB sodique pré-hydraté avec trois solutions (eau DI, eau du robinet, et solution de 0,0125M CaCl2). A chaque cycle les échantillons de GSB sont desséchés jusqu'à ce que la bentonite ait une teneur en eau comprise entre 15 et 20%. Lin et Benson ont observé que le gonflement diminue de manière considérable avec la solution de CaCl2 après le deuxième cycle. La conductivité hydraulique se maintient jusqu'au quatrième cycle puis entre le cinquième et le huitième cycle elle augmente elle aussi de manière considérable (>10-8 m/s) (Table. IV-3). Les fissures, crées dans la bentonite lors des dessiccations, ne se referment plus lorsque celle-ci est réhydratée (Fig. IV-2). Sporer et

83

Gartung (Sporer 2002) ont mené des essais de dessiccation/hydratation sur des bentonites sodiques et calciques. Les GSB étaient hydratés avec de l'eau DI ou une solution de 0,009M de CaCl2 sous une contrainte normale de 15 kPa puis ils étaient desséchés jusqu'à ce que la bentonite atteigne une teneur en eau comprise entre 15 et 20 %. Sporer et Gartung ont montré que l'impact d'une telle dessiccation dépend du fluide d'hydratation. En effet, aucune fissure n'est visible lorsque l'échantillon a été hydraté avec de l'eau DI, en revanche des fissures apparaissent dans les échantillons hydratés avec la solution saline.

Etude Nombre de cycles de

dessiccation Liquide

d'hydratation Conductivité hydraulique (m/s)

Lin 1 Eau DI 1.2×10-11 2000 CaCl2 0.0125M 3.8×10-11

4 Eau DI 2.2×10-11 CaCl2 0.0125M 4.4×10-11 6 Eau DI - CaCl2 0.0125M 7.6×10-8

Table. IV -3

Bilan des conductivités hydrauliques obtenues avec différentes solutions pour des GSB soumis à des cycles d'hydratation/dessiccation.

Fig. IV -2

a) Fissures dans la bentonite (teneur en eau 80%) visibles après 6 jours de dessiccation en laboratoire (Bouazza 2006)

b) Fissures dans la bentonite (teneur en eau 13%) visibles après 10 jours de dessiccation en laboratoire (Bouazza 2006).

84

Kraus et al. (1997), Hewitt et Daniel (1997) et plus récemment Podgorney et Bennett (2006) ont étudié les effets des cycles de gel/dégel sur les propriétés des GSB. Kraus et al. et Hewitt et Daniel ont procédé de façon similaire: des échantillons de GSB sodiques ont été placés dans un congélateur à -20°C pendant 24 heures puis leur conductivité hydraulique a été déterminée au moyen d'un perméamètre à parois flexibles. Lors de l'essai de perméabilité Hewitt et Daniel ont utilisé des pressions de confinement faibles, comprises entre 7,6 et 12,4 kPa, afin de simuler le confinement des couvertures des ISD. Les résultats des deux études sont semblables; Hewitt et Daniel ont montré que les GSB peuvent subir trois cycles de gel/dégel sans changement significatif dans leurs conductivités hydrauliques et Kraus et al. ont effectué jusqu'à 20 cycles sans détecter d'augmentation de la perméabilité (Fig. IV-3). Podgorney et Bennett ont encore augmenté le nombre de cycles allant jusqu'à effectuer 150 gels des GSB à -17°C chacun pendant 24h. Là aussi aucun changement significatif dans la conductivité hydraulique des échantillons n'a été observé.

0.E+001.E-112.E-113.E-114.E-115.E-116.E-117.E-118.E-119.E-111.E-10

0 1 2 3 4 5 6 7

Number of Freeze-Thaw Cycles

Hyd

raul

ic C

ondu

ctiv

ity (

m/s

) Hew itt Sodium bentonite needle-punched

Hew itt Sodium bentonite stitch-bounded

Kraus Sodium bentonite needle-punched 1

Kraus Sodium bentonite needle-punched 2

Fig. IV -3

Conductivité hydraulique des GSB testés en fonction du nombre de cycles de gel/dégel (Kraus et al. (1997) et Hewitt et Daniel (1997)).

Plusieurs études se sont penchées plus en avant sur ce mécanisme qui altère de manière grave et définitive les GSB. En effet, comment la concentration et les proportions en cations monovalents et divalents dans les solutions peuvent affecter le gonflement et la conductivité hydraulique des GSB (Jo 2001; Jo 2004; Kolstad 2004)? Jo et al. (Jo 2001) ont effectué des mesures de conductivité hydraulique en perméamètre, de pH et de gonflement sur un GSB contenant 4,9 kg/m2 de bentonite en granulés. Ce GSB a été mis en contact avec des solutions salines ayant des concentrations comprises entre 0,005M et 1M et contenant différents cations monovalents, bivalents ou trivalents. Jo et al. ont montré que d'une manière générale, une diminution du gonflement et une augmentation de la conductivité hydraulique sont associés à une augmentation de la concentration en cations, une augmentation de la valence des cations ainsi qu'à un pH très faible ou très fort (Fig. IV-4 et Fig. IV-5). La taille des cations monovalents a aussi une influence sur le gonflement et la

85

perméabilité hydraulique, en effet, lorsque la taille des cations augmente, la perméabilité du GSB diminue et le gonflement augmente (Fig.IV-6). En revanche la taille des cations multivalents n'influe pas sur le gonflement de la bentonite et sur sa conductivité hydraulique car ceux-ci n'interviennent pas dans la phase osmotique de l'hydratation des GSB.

Fig. IV -4

Effet de la concentration sur le gonflement des bentonites sodiques issues de GSB (Jo et al. (2001)).

Fig. IV -5

Effet de la valence des cations sur la conductivité hydraulique (Jo et al. (2001)).

86

Fig. IV -6

Effet de la taille des cations sur la conductivité hydraulique (Jo et al. (2001)).

Cette étude a été complétée quelques années plus tard, en effet, Jo et al. (Jo 2004) ont à nouveau étudié le gonflement et la conductivité hydraulique d'un échantillon de GSB contenant de la bentonite sodique naturelle en granulés lorsque celui-ci est percolé par des solutions faiblement concentrées en ion monovalent (0,1M KCl) ou bivalent (0,02 et 0,04M CaCl2) avec ou sans pré-hydratation. Les solutions en sortie du perméamètre étaient analysées afin de connaître leurs concentrations cationiques après avoir traversé le GSB. Les données obtenues ont montré que les échanges cationiques au sein de la bentonite correspondent aux variations de la conductivité hydraulique, du gonflement et de la teneur en eau de l'échantillon percolé avec les solutions salines. Lors de la percolation avec une solution contenant des ions monovalents les ions Na+ présents dans la zone inter feuillets de la bentonite ont été progressivement remplacés par les ions K+ mais sans induire pour autant une augmentation de la perméabilité ou une diminution du gonflement (Fig. IV-7 et Fig. IV-8). En revanche, lors de la percolation avec les solutions de CaCl2, les ions Na+ ont été remplacés par les ions Ca2+ ce qui a engendré une diminution du gonflement, de la teneur en eau et une augmentation de la conductivité hydraulique. D'autre part, les conditions d'hydratations affectent aussi le processus d'échange; en effet, des échanges cationiques plus rapides et une augmentation plus importante de la conductivité hydraulique surviennent lorsque la bentonite n'a pas subi de pré-hydratation.

87

Fig. IV -7

Conductivité hydraulique, gonflement libre de la bentonite pour des échantillons non pré-hydratés de GSB en contact avec des solutions de 100 mM KCl et 40 mM CaCl2 (Jo et al.

(2004)).

Fig. IV -8

Teneur en eau de la bentonite pour des échantillons non pré-hydratés de GSB en contact avec des solutions de 100 mM KCl et 40 mM CaCl2 (Jo et al. (2004)).

Kolstad et al. (Kolstad 2004) ont eux aussi mené une étude sur le gonflement et la perméabilité d'un GSB. Celui-ci était non pré-hydraté et contenait 4,3 kg/m2 de bentonite sodique en granulés. Les liquides de percolations étaient des solutions salines contenant plusieurs cations. Un indice a été crée: le RMD correspondant au rapport des concentrations en cation monovalents et divalent dans la solution.

88

M

D

MRMD

M=

(IV -1)

Où MM la molarité totale des cations monovalents; MD la molarité totale des cations divalents. Kolstad et al. ont montré que le gonflement est directement lié au RMD d'une solution alors que la conductivité est inversement liée à ce RMD (Fig. IV-9). De plus, l'espèce du cation n'a pas d'effet discernable sur le gonflement et la conductivité hydraulique des échantillons.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0.5 1 1.5 2RMD (mM1/2)

Fre

e S

wel

l (m

L/2g

)

0.05M0.1M0.2M0.5M

Fig. IV -9

Gonflement de la bentonite en fonction du RMD pour différentes concentrations (Kolstad et al. (2004)).

Plusieurs équipes se sont intéressées à l'étude de la perméabilité, du gonflement et de l'échange cationique d'échantillons de GSB excavés de sites (James 1997; Mansour 2001; Mackey 2004; Meer 2007). Mansour s'est également penché sur les données réelles observées sur le site (données météorologiques: précipitations, évapotranspiration, compaction et humidité du sol de couverture à plusieurs profondeurs). Tous les GSB excavés étaient initialement des GSB sodiques et la majorité des équipes a observé que ceux-ci étaient devenus calciques quelques mois après leur mise en place seulement. En effet, James et al. (James 1997) ont étudié des GSB utilisés pour étancher des réservoirs d'eau. Les GSB excavés étaient initialement des GSB sodiques en granulés et James observa que ceux-ci étaient devenus calciques six mois après leur mise en place (Table. IV-4). Le calcaire contenu dans les sols environnants mais aussi contenu dans l'eau de pluie a donc favorisé l'échange cationique.

89

Echantillon de GSB Cations échangeables (meq/100g)

Na K Ca Mg GSB Vierge 64.0 2.0 40.9 12.2 GSB excavé 1 15.0 7.3 76.9 9.7 GSB excavé 2 15.3 10.6 85.8 12.7 GSB excavé 3 8.1 1.1 82.2 9.0 GSB excavé 4 2.6 0.9 82.5 12.5 GSB excavé 5 10.3 2.5 80.4 7.3

Table. IV -4

Composition de la bentonite issue des différents échantillons de GSB (James (1997)). Mackey et Olsta (Mackey 2004) ont mené une étude sur la perméabilité, le gonflement et l'échange cationique d'échantillons de GSB sodiques excavés de deux sites situés en Floride. Les sols de couvertures étaient constitués de sables contenant des morceaux de coquillages et des dépôts de coraux qui sont des sources de calcium. Mackey et Olsta ont montré qu'après deux ans de service les ions sodium contenus dans la bentonite des GSB ont été entièrement remplacés par des ions calcium et magnésium. Les GSB présentent alors le gonflement d'une bentonite calcique (7,5 à 14 mL/2g) et la conductivité a chuté pour les deux échantillons (K compris entre 8,5×10-11 m/s et 6,4×10-8 m/s). Plus récemment encore, Meer et Benson (Meer 2007) ont présenté l'étude de GSB sodiques prélevés dans quatre ISD. Le gonflement, la conductivité hydraulique et l'échange cationique au sein des GSB ont été déterminés. Des échantillons des sols de couvertures ont également été prélevés et soumis à des batch tests et des tests en perméamètres. Là aussi, la majorité des ions sodium présents initialement dans la bentonite ont été remplacés par des ions calcium et magnésium et les GSB présentent le gonflement d'une bentonite calcique (environ 10 mL/2g). La conductivité hydraulique des GSB exhumés varie entre 5,2×10-11 m/s et 1,6×10-6 m/s, et celle-ci est en lien direct avec la teneur en eau des échantillons. Dans l'étude de Mansour, les résultats indiquent que les propriétés hydrauliques du GSB sont identiques à celles mesurées lors de l'installation du GSB; la conductivité hydraulique est égale à 1,9×10-11 m/s sous une contrainte de 35 kPa, le gonflement est égal à 33 mL/2g et les ions sodium sont majoritaires dans le GSB. L'analyse cationique de l'eau contenue dans les sols de surface a montré que ceux-ci étaient riches en sodium, ce qui a sûrement protégé le GSB de l'échange cationique (Table. IV-5).

Echantillon de sol Ions (PPM) Na Ca K 0-0.2m 67 1 8 0.2-0.45m 136 1 8 0.45-0.6m 162 3 10 0.6-0.8m 156 3 8

Table. IV -5

Teneur en Na, Ca et K des sols de couverture (Mansour (2001)).

90

Mais les études en laboratoire sur des échantillons de GSB sont souvent éloignées des sollicitations réelles observées in situ sur les GSB. En effet, les concentrations en calcium observées généralement dans les eaux porales des sols se situent entre 0,001 et 0,004M (Egloffstein 2001). Les concentrations en calcium utilisées précédemment dans les études en laboratoire, notamment celle de Lin et al. (Lin 2000), sont trop élevées pour donner un aperçu réaliste des conditions in situ. D'autre part, Egloffstein a montré que les conditions de dessiccation extrêmes utilisées par Lin (teneur en eau de la bentonite égale à 15-20%) sont aussi éloignées des conditions réelles in situ. En effet, l'étude d'échantillons excavés a montré que la teneur en eau moyenne de la bentonite in situ est comprise entre 70 et 120% et elle diminue jusqu'à 40 à 60% dans des conditions très sèches. D’où l'intérêt de la mise en place d'instrumentations pour obtenir des mesures en continu sur site.

2.2. Etudes et essais concernant la perméabilité au gaz des matériaux d'étanchéité en laboratoire

La perméabilité au gaz des matériaux d'étanchéité est un paramètre qui a été peu étudié. Seulement quelques résultats sur l'évolution de cette propriété sont donc présentés ici; en revanche, les méthodes et essais qui permettent de la caractériser peuvent être détaillés. En effet, beaucoup de méthodes et d'essais basés sur la loi de Darcy permettent de déterminer la perméabilité effective au gaz des sols naturels. Les tests de détermination de la perméabilité en laboratoire sont de deux sortes : les tests effectués en régime permanent et ceux effectués en régime transitoire.

2.2.1 Calcul de keg en régime permanent

La majorité des tests effectués en laboratoire est menée sur des échantillons de matériaux cylindriques placés dans une cellule étanche appelée perméamètre. La face inférieure de l’échantillon est soumise à une pression de gaz constante, régulée et contrôlée par un capteur de pression et la face supérieure est à la pression atmosphérique (Fig. IV-10). Le débit de gaz passant au travers de l’échantillon est mesuré directement par un débitmètre relié à la sortie de la cellule étanche. Une fois le régime permanent établi, on mesure alors la pression de gaz ainsi que le débit.

Fig. IV -10

Schéma du dispositif en régime permanent.

Entrée du gaz

Pierre poreuse

Manomètre Débitmètre q (l/min)

Capteur pression entrée Pe (kPa)

Echantillon

Géotextile z

Capteur pression sortie Ps (kPa)

Sortie du gaz

91

La loi de Darcy pour un gaz s’écrit (Chapitre III) :

g eg g gg

g

dh k g dhqv K

A dz dz

ρη

= = − = − ×

(IV -2)

Ce qui donne en termes de pression :

eg

g

k dPv

dzη= −

(IV -3)

Pour les gaz, la vitesse d’écoulement et la masse volumique varient d’un point à un autre quand la pression diminue, mais la vitesse d’écoulement massique doit rester constante (Darcy 1956), on aura ainsi:

( )zρ ρ=

(IV -4)

et ( )v v z=

(IV -5)

egg g

g

k dPv cte

dzρ ρ

η= − =

(IV -6)

Il existe une relation entre P et ρ; la loi des gaz parfaits donne:

PV nRT= RTP

Mρ⇒ =

(IV -7)

Avec M masse molaire du gaz;

R constante des gaz parfait; N nombre de moles.

D’où:

egg

g

k M dPv P cte

RT dzρ

η= − =

(IV -8)

92

En intégrant sur toute l’épaisseur Z de l’échantillon et en gardant à l’esprit que η est indépendant de P, on trouve :

0

Z Psegg Pe

g

k Mv dz PdP

RTρ

η= −∫ ∫

(IV -9)

Ou encore:

2 2

2eg s e

gg

k P PMv

RT Zρ

η−= −

(IV -10)

Avec Pe la pression absolue du gaz en entrée du perméamètre; Ps la pression absolue du gaz en sortie du perméamètre.

En écrivant la loi des gaz parfaits à l’entrée du perméamètre on a:

e

g

P RT

Mρ=

(IV -11)

Et en utilisant le débit volumique d’entrée qe avec:

eqv

A=

(IV -12)

On trouve:

2 2

2ege s e

g e

kq P P

A ZPη−= −

(IV -13)

On a donc finalement:

( )2 2

2 e geeg

s e

P Zqk

A P P

η= −

−

(IV -14)

Les tests en régime permanent sont généralement effectués sur les sols non saturés (Eischens et al. 1996, Samingam et al. 2003), les géosynthétiques bentonitiques (Didier et al. 2000, Shan et al. 2000, Bouazza et al. 2003, Vangpaisal et al. 2004) ou les matériaux cimentaires (Gallé et al. 2000, Loosveldt et al. 2002).

93

Bouazza et al. ont par exemple effectué des tests de perméabilité au gaz sur des GSB sodiques partiellement hydratés avec différentes solutions (eau DI et solutions de CaCl2 de concentrations égales à 0,0125M et 0,125M) et exposés à plusieurs cycles d'hydratation/dessiccation. L'effet cumulé des cycles d'hydratation/dessiccation et de l'échange cationique est encore plus significatif pour la perméabilité au gaz que pour la conductivité hydraulique des GSB due à la viscosité plus faible du gaz comparée aux liquides. En effet, après plusieurs cycles la perméabilité au gaz des GSB hydratés avec la solution de CaCl2 à 0,0125M est supérieure d'un ordre de magnitude à celle des échantillons hydratés avec l'eau distillée (Table. IV-6). Pour les échantillons hydratés avec la solution de CaCl2 à 0,125M les fuites de gaz sont observables après le premier cycle d'hydratation/dessiccation.

Etude Nombre de cycles de

dessiccation Liquide

d'hydratation Perméabilité au gaz

(m/s) Bouazza 4 CaCl2 0.0125M 3.2×10-9

2006 6 CaCl2 0.0125M 2.35×10-7 10 Eau DI 1.22×10-13

Table. IV -6

Bilan des perméabilités au gaz obtenues avec différentes solutions pour des GSB soumis à des cycles d'hydratation/dessiccation.

Pour tous les matériaux testés, de nombreux résultats montrent que lorsque la teneur en eau de l'échantillon augmente, correspondant à une diminution du volume des pores disponibles pour la migration du gaz, les mesures deviennent de plus en plus difficiles à effectuer. En effet, les incertitudes relatives peuvent atteindrent 100% si la teneur en eau des géosynthétiques bentonitiques dépasse les 100% (Shan et al. 2000, Bouazza et al. 2003) (Fig. IV-11). Gallé et al. 2000 a aussi obtenu une importante dispersion des valeurs de perméabilité (4 ordres de magnitude) pour des matériaux cimentaires ayant une saturation de 90%.

Fig. IV -11

Dispersion des valeurs de perméabilité à l'air en fonction de la teneur en eau pour des échantillons de GSB obtenu par Shan (2000).

94

2.2.2 Calcul de keg en régime transitoire

Pour les tests effectués en régime transitoire, on ne mesure que la chute de pression du gaz à l’intérieur de la cellule étanche. Ces tests ont été développés plus tardivement que les tests en régime permanent. Bien que la partie théorique soit beaucoup plus complexe que pour le régime permanent, les tests effectués en régime transitoire présentent plusieurs avantages : les durées d’expérience sont moins longues car on ne doit pas attendre l’établissement du régime permanent ; de plus ces tests peuvent être effectués sur des échantillons à teneur en eau proche de la saturation pour lesquels la mesure en régime permanent s'avère difficile (Chapitre IV section 2.2.1); et enfin, le coût de l’expérimentation est beaucoup moins élevé. Les premiers tests de perméabilité en régime transitoire ont permis de déterminer les perméabilités aux liquides très faibles des roches et des grés à l’eau (Brace et al. 1968, Hsieh et al. 1981). Les échantillons cylindriques de roche sont alors disposés dans une membrane connectée à deux réservoirs contenant le fluide : l’un au dessus et l’autre au dessous (Fig. IV-12). Au début de la procédure de test, les deux réservoirs ainsi que l’échantillon sont maintenus à une même pression constante. Le fluide pénètre alors au travers de l’échantillon et il s’établit un gradient de pression entre les deux réservoirs. La pression est enregistrée lorsqu’elle commence à diminuer dans l’échantillon. On calcule le coefficient de perméabilité à partir de la chute de la pression.

Fig. IV -12

Dispositif en régime variable.

Plus récemment cette technique a été appliquée à des matériaux ayant des compressibilités et des perméabilités plus grandes comme le ciment (Roy et al. 1993, Selvadurai et al. 1997). Les tests effectués par Roy et al. reprennent le dispositif expérimental précédent à un détail près : l’échantillon est soumis initialement à une pression de confinement plus élevée que la pression des deux réservoirs. Lorsque le test commence, la pression du réservoir supérieur va diminuer très vite et à l’inverse celle du réservoir inférieur va augmenter très rapidement.

95

Le dispositif expérimental utilisé par Selvadurai et al. est différent. En effet une cavité centrale a été percée dans l’échantillon cylindrique afin de connaître le flux radial. Une pression est ensuite appliquée dans la cavité centrale. Le fluide passe alors au travers de l’échantillon et la diminution de la pression dans la cavité centrale est enregistrée. Parallèlement, plusieurs groupes de chercheurs ont adapté de manière très variée les tests en régime transitoire afin de déterminer la perméabilité à l’air de plusieurs matériaux tels que des échantillons de béton, de sol non saturés ou encore du bitume. Figg (1973) a proposé une méthode en régime variable pour déterminer la perméabilité à l'air du béton: la pression initiale dans une chambre en contact avec l'échantillon est abaissée grâce à une pompe. Après l'arrêt de la pompe, le temps nécessaire pour obtenir une pression donnée caractérise la perméabilité à l'air de l'échantillon (Fig. IV-13). Calogovic (1995), Yssorche et al. (1995) et Claisse et al. (2003) ont proposé de déterminer un coefficient de perméabilité à l'air à partir de l'expérimentation de Figg en appliquant la loi de Darcy. Calogovic et Yssorche ont négligé l'influence de la compressibilité de l'air. Claisse a utilisé une solution axisymétrique analytique du flux de gaz autour d'un trou (Fig. IV-14). Cette méthode peut être appliquée in situ pour estimer la perméabilité d'un béton mais pas en laboratoire sur des échantillons plus fins.

Fig. IV -13

Courbes de pression en fonction du temps pour différents échantillons de bétons obtenues par Calogovic (1995).

96

Fig. IV -14

Modèle développé par Claisse (2003).

Li et al. (2004). a proposé une méthode pour mesurer la perméabilité à l'air du bitume (Fig. IV-15). Le dispositif est constitué d’une boîte sans couvercle dans laquelle on place un échantillon du matériau, dont on veut tester la perméabilité, en le surélevant afin de laisser un certain volume pour le gaz. L’étanchéité entre l’échantillon et les parois latérales de la boîte est assurée par un joint. De l'air sous pression pc(0) est introduit dans la chambre en contact avec l'échantillon. Lorsque cette chambre est isolée, la diminution de la pression de l'air p(t), due à la migration de l'air au travers de l'échantillon, est enregistrée. Li a développé une expression simplifiée décrivant l'écoulement isotherme d'un gaz compressible au travers d'un échantillon unidimensionnel (voir Chapitre VII). Une solution analytique de l'équation simplifiée décrivant les variations en fonction du temps de la pression dans la chambre, permet ensuite de déterminer le coefficient de perméabilité effective de l'échantillon keg:

exp( )

exp

t

atm tP t Pτ

τ

α

α

−

−

+=−

(IV -15)

où (0)

(0)c atm

c atm

P P

P Pα +=

−

(IV -16)

97

et g

atm eg

VZ

AP k

ητ =

(IV -17)

Avec Patm la pression atmosphérique; V le volume de la chambre;

Z la hauteur de l'échantillon; A l'aire de l'échantillon.

Le domaine de validité de la solution (IV-15) de l'équation simplifiée est donné par le coefficient δ sans dimension :

2

2 2

( ) ( )

( )g c

eg m c atm

Z P t dP t

k P P t P dt

εηδ =

−

(IV -18) Où ε est la porosité de l'échantillon; Pm la pression moyenne des pressions maximale et minimale observées pendant l'essai. Ce coefficient donne une condition quantitative en dessous de laquelle la solution (IV-15) est obtenue avec une erreur négligeable. Pour cela ce coefficient doit respecter:

1δ ≤

(IV -19)

Li et al. ont contrôlé pour 15 échantillons de goudron ayant des porosités comprises entre 0,01 et 0,1 que lorsque la condition précédente (IV-19) est vérifiée la solution de l'équation simplifiée est très proche de la solution numérique de l'équation complète de l'écoulement isotherme d'un gaz compressible au travers d'un échantillon unidimensionnel (erreur inférieure à 6% pour tous les échantillons).

Fig. IV -15

Schéma du dispositif expérimental utilisé par Li (2004).

98

3. In situ

3.1. Etudes in situ des écoulements au sein des GSB utilisés en couverture d'ISD.

Un autre type d'étude des GSB est aussi mené à l'échelle in situ uniquement. Il consiste en la pose de lysimètres plans dans les complexes de couverture et le suivi des différents écoulements au cours du temps. Poignard et al. (Poignard 1999b) ainsi que Wagner et Schnatmeyer (Wagner 2002) ont instrumenté les couvertures de plusieurs casiers expérimentaux dans des ISD en France et en Allemagne. La récupération des eaux de ruissellement et de percolation dans les différentes couvertures (GSB sodique, argile compactée, couche servant de barrière capillaire, terre végétale seule) pendant plusieurs années au moyen de lysimètres (environ 30m2 pour Poignard et al. et 45m2 pour Wagner et al. a permis d'estimer l'efficacité de différents complexes de couverture (Fig. IV-16). Le pourcentage d'eau s'infiltrant sous le GSB s'est avéré inférieur à 10% de la pluie brute (30 mm/an) (Poignard 1999b) et les GSB ont montré des performances comparables à celles d'une couche d'argile d'un mètre d'épaisseur. De plus, Wagner et Schnatmeyer (Wagner 2002) ont instrumenté les couvertures de casiers expérimentaux (3 × 15 m) munis de six complexes de couverture différents (GSB sodique, argile compactée, couche servant de barrière capillaire, terre végétale seule). La récupération des eaux de ruissellement et de percolation dans les différentes couvertures pendant deux ans a permis d'estimer l'efficacité de différents complexes de couverture. Les complexes contenant le GSB et la couche d'argile munie d'un géodrain ont été les deux seules configurations à garantir une perméabilité répondant à la législation allemande (k< 5×10-

9m/s). Les percolations récoltées sous le GSB étaient minimales la première année et aux environs de 6mm la deuxième. En effet, lors de la deuxième année, la conductivité hydraulique du GSB est passée de 4×10-11 m/s à 2×10-10 m/s ceci à cause de l'échange cationique qui s'est opéré en son sein.

Fig. IV -16

Disposition des 6 lysimètres dans la zone expérimentale (Wagner 2002).

99

Henken-Mellies et al. (Henken-Mellies 2002) ont installé une instrumentation dans la couverture d'une ISD en Bavière contenant un GSB calcique de 9.5 kg/m2 surmonté d'un géodrain. Un grand lysimètre plan (250 m2) a été placé sous la couverture et a permis de recueillir les fuites d'eau au travers du GSB. Le bilan de masse pour les trois ans de l'étude montre que l'évapotranspiration représente environ 70% de l'eau infiltrée dans le complexe de couverture, 30% de cette eau est drainée au niveau du géodrain et seulement 0,5% traverse le GSB (en moyenne 5,4 mm par an) (Table. IV-7). D'autre part, le suivi de l'humidité du GSB au fil des saisons par des sondes TDR a permis à Henken-Mellies et al. de constater que l'épaisseur de 1m du sol de couverture est insuffisante pour protéger le GSB de la dessiccation.

Précipitations (mm)

Ruissellement (mm)

Eau drainée par le géodrain (mm)

Eau traversant le GSB (mm)

Hiver 1998/99 305.5 25.2 239.6 7.0 Eté 1999 537.7 1.2 23.7 0.3 Hiver 99/2000 525.3 3.2 228 1.8 Eté 2000 354.8 0.4 45.8 1.5 Hiver 200/01 538.3 2.4 243.9 3.0 Eté 2001 565.1 0.7 65.9 1.2 Somme 11/98-09/2001 2884.4 33.1 862.9 15.1 Somme en % des précipitations 1.1 % 29.9 % 0.5 %

Table. IV -7

Sommes semi-annuelles des précipitations et des mesures des flux dans la zone de test. (octobre à mars = Hiver; avril à septembre = Eté).

Blümel et Muller-Kirchenbauer (Blümel 2002) ont mis en place trois petits lysimètres (3 m2) sous des complexes de couverture contenant des GSB (en poudre et en granulés). L'ensemble des flux entrants (précipitations) et sortants (évapotranspiration, ruissellement en surface, drainage dans les sols de couverture et percolas s'infiltrant sous le GSB) a été mesuré pendant deux ans. Le pourcentage d'eau s'infiltrant sous le GSB est inférieur à 0,5% de la pluie brute (3 mm/an), mais la deuxième année, la perméabilité du GSB en granulés (Lysimètre 3) augmente considérablement (5mm/an) (Fig. IV-17 et Fig. IV-18).

Fig. IV -17

Données cumulées des précipitations pour une période de trois ans.

100

Fig. IV -18

Données cumulées de l'eau infiltrée sous les GSB pour une période de trois ans.

D'autres études de ce type ont aussi été menées sur des couvertures d'ISD ne contenant pas de GSB. Ainsi Henken-Mellies et al. (Henken-Mellies 2001) ont étudié l'efficacité d'une couverture temporaire en sable riche en terreau après quatre ans sur un site en Allemagne. Pour cela un lysimètre a été installé sous la couverture afin de connaître les fuites. Le ruissellement de surface a aussi été suivi ainsi que les précipitations. Durant les mois d'été aucune fuite n'est enregistrée; l'eau est stockée dans le sol puis évaporée. En revanche durant les mois d'hiver les fuites au travers de la couverture sont assez conséquentes (de 5 à 10 mm par jour) et sont en lien direct avec les précipitations. Albright et al. (Albright 2006) ont étudié le comportement d'une couverture d'ISD comportant une couche d'argile compactée de 45 cm en milieu humide. Un lysimètre plan (10×20m) a été installé sous l'argile compactée permettant ainsi le suivi des flux d'eau pendant deux ans. Le bilan de masse permet de voir que 25,8% de l'eau de pluie s'infiltre sous la couverture. D'autre part, l'estimation de la conductivité hydraulique en situ à partir des fuites avant et après une période de sécheresse a montré que celle-ci augmente de près de trois ordres de grandeurs (k passe de 3,2×10-9 m/s à 3,6×10-7 m/s). Mais les essais à grande échelle sur site sont longs et donnent souvent un simple aperçu de l'évolution des phénomènes. En effet, certaines données sont difficiles à atteindre lors d'expérimentations à grandes échelles de ce type. C'est pourquoi afin d'avoir une connaissance parfaite de l'état du complexe au cours du temps des essais plus poussés en laboratoire sont aussi nécessaires car la maîtrise de tous les facteurs expérimentaux permet une analyse et une comparaison valable entre les résultats. D’où l'intérêt du couplage entre essais in situ et essais en laboratoire.

4. In situ et en laboratoire

4.1. Etudes in situ et en laboratoire des écoulements au sein des GSB

utilisés en couverture d'ISD. Finalement peu de recherches ont tenté un couplage réel entre les essais en laboratoire et l'évolution du GSB sur site. Benson et al. (Benson 2007) ont étudié une couverture finale d'une ISD aux USA contenant un GSB sodique. Deux lysimètres ont enregistré les percolations au travers du GSB pendant

101

plusieurs mois (Fig. IV-19). Les grandes quantités de liquide percolé après quatre à quinze mois seulement (450 mm/an) ont poussé Benson et al. à effectuer des prélèvements de GSB afin de les étudier en laboratoire. Les GSB présentaient des conductivités hydrauliques fortes, de l'ordre de 5×10-5 cm/s, dues aux effets combinés de l'échange des ions sodium en ions calcium et magnésium au sein du GSB et de la dessiccation. Les sources de calcium étaient situées dans les sols de couverture.

Fig. IV -19

Schéma des lysimètres utilisés pour mesurer les fuites au travers de la couverture.

Finalement Melchior (Melchior 2002) a mené l'étude la plus complète sur les GSB utilisés en couverture d'ISD couplant suivi en situ des fuites sous la couverture et essais physiques, chimiques et minéralogiques en laboratoire sur des échantillons excavés. En effet, Melchior a intégré deux lysimètres de 100 m2 dans la couverture d'une ISD en Allemagne afin d'étudier les fuites sous deux GSB (sodique et calcique activée). Afin d'accélérer les processus de transferts, le sol de couverture des GSB était constitué de 0,15m de gravier drainant et 0,3m de terre végétale surmontée d'une végétation âgée de huit ans. Les précipitations étaient enregistrées et corrigées en fonction des autres données météorologiques (vent, évaporation). Des échantillons de chaque GSB ont été excavés au fil des années afin d'effectuer des essais et analyses en laboratoire et suivre ainsi leurs évolutions. Durant le premier hiver les GSB ont été efficaces (pas de fuites) et les échantillons excavés étaient humides. Après le premier été, les fuites sous les GSB sont apparues et ont augmenté jusqu'à devenir supérieures à 180 mm/an après quatre ans (Fig. IV-20). Melchior a remarqué que cette augmentation est liée aux fissures crées au fil des années par la dessiccation et les racines des plantes; des fissures de plus de 2 mm étaient visibles dans les échantillons excavés après un an (Fig. IV-21). D'autre part, après deux ans de service les échantillons prélevés contenaient majoritairement des ions calcium, leur gonflement et leur teneur en eau étaient ceux d'une bentonite calcique (Fig. IV-22).

102

0

200

400

600

800

1000

1200

1994/95 1995/96 1996/97 1997/98

mm

/an

Precipitation

Leakage through the GCL on test f ield 1

Leakage through the GCL on test f ield 2

Fig. IV -20

Précipitations et fuites annuelles sous le GSB pour les deux zones de test (Melchior 2002).

Fig. IV -21

Image montrant les fissures de dessiccation dans la couche de sol de couverture de la zone de tests (Melchior 2002).

103

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

GCL testfield 1

GCL testfield 2

GCL testfield 1

GCL testfield 2

GCL testfield 1

GCL testfield 2

1994 1996 1998

Mg

Ca

K

Na

Fig. IV -22

Cations contenus dans les GSB des deux zones de test en 1994, 1996 et 1998 (Melchior 2002).

5. Conclusion sur l'étude des travaux antérieurs et perspectives

pour notre étude

Suite à cette étude bibliographique il en ressort que bien qu'un nombre important d'études en laboratoire et d'études in situ ait été mené sur les GSB en tant que matériaux d'étanchéité dans les barrières d'ISD seulement deux études à notre connaissance ont été menées avec un couplage entre le suivi des écoulements in situ et les essais de laboratoire. En effet, les études en laboratoire se sont attachées à déterminer l'influence des paramètres liés aux conditions initiales du GSB telles que la pression de confinement, les conditions de pré-hydratation ou encore la qualité initiale de la bentonite, ou bien celle des paramètres liés aux conditions ambiantes auxquelles le GSB est soumis sur un site tels que les cycles de dessiccation/humidification, gel/dégel, l'échange cationique. Mais les études en laboratoire sur des échantillons de GSB sont souvent éloignées des contraintes réelles observées in situ sur les GSB. A l'opposé, les études in situ qui permettent le suivi des différents écoulements au cours du temps sont longues et ne permettent pas d'avoir une connaissance parfaite de l'état du complexe au cours des essais. D'autre part, très peu d'études ont été menées sur la perméabilité au gaz des matériaux utilisés dans les barrières étanches. En effet, les méthodes de détermination en régime permanent du coefficient de perméabilité au gaz génèrent des difficultés lors des essais en laboratoire, notamment avec les matériaux saturés et les essais in situ s'avèrent eux aussi très compliqués à cause de la grande échelle et des durées des expériences. Pourtant l'étude de l'échange gazeux entre la couverture et le milieu environnant parait essentielle surtout lorsque au cours

104

du temps la barrière présente des déformations et des fissurations; les transferts de gaz deviennent alors non négligeables. L'originalité du travail effectué réside ainsi dans l'étude multi-échelle des phénomènes ayant lieu au sein des couvertures d'ISD. En effet, la mise en place et le suivi d'expérimentations in situ permettant l'étude du comportement hydrique de plusieurs configurations de couverture munies de GSB ont été effectuées. L'expérimentation permet en outre une analyse non destructive de l'échange cationique au sein des GSB au cours du temps. Cette étude in situ est complétée par une caractérisation complète en laboratoire des matériaux constituants ces couvertures (état initial) (Chapitre V). De plus ces études sont associées à des essais de performance de longue durée en laboratoire sur les mêmes matériaux et avec les contraintes présentes in situ. En effet, des essais de conductivité hydraulique sur des GSB hydratés avec des solutions ioniques ont été effectués afin d'étudier de manière plus poussée l'effet de phénomènes importants in situ tel que l'échange cationique tout en maîtrisant tous les facteurs expérimentaux (Chapitre VI). Finalement, une expérimentation à une échelle intermédiaire entre le laboratoire et le site a été effectuée. En effet, des complexes de couverture d’ISD ont été reconstitués dans des pilotes à l'échelle métrique. Dans ces pilotes, la récupération de l’eau qui ruisselle à chaque interface des couvertures est possible. Cette expérimentation permet donc d'effectuer un bilan de masse complet de la couverture. De plus, les analyses chimiques effectuées sur l’eau collectée permettent de suivre les échanges cationiques au sein des GSB, en fonction de la composition des eaux de percolation (Chapitre VIII). De plus, pour l'étude des transferts de gaz, une méthode d'essai en régime variable basée sur le suivi de la chute de pression a été développée. Cette méthode permet la détermination du coefficient de perméabilité à partir d'équations simplifiées du transfert du gaz au travers du matériau d'étanchéité. Cette méthode a été appliquée en laboratoire où un dispositif expérimental permettant d’effectuer ces tests de perméabilité ainsi que des tests de flexion sur des échantillons d’argile a été conçu (Chapitre VII). In situ, des dispositifs expérimentaux ont été installés dans la couverture afin d'effectuer le même type d'essais en grandeur réelle (Chapitre V).

105

Chapitre V :

Instrumentation in situ, Expérimentations et

Résultats

106

107

1. Introduction

L'Installation de Stockage de Déchets des « Petits Pourcieux » a été retenue comme plateau de recherche par la région Rhône-Alpes. Sur ce site nous menons une étude approfondie du comportement de la couverture définitive d’une alvéole, en nous intéressant notamment aux transferts d’eau et de biogaz (Barral 2007). Dans ce chapitre le site est d'abord présenté d'un point de vue climatique et historique d'exploitation. L'instrumentation mise en place est ensuite décrite de manière détaillée. Dans une deuxième partie les matériaux constitutifs de la couverture sont étudiés en laboratoire afin de déterminer leurs caractéristiques initiales. Finalement la dernière partie présente les données expérimentales acquises sur le site pendant deux ans. Le comportement hydraulique de la barrière est alors analysé en termes de performance (Barral 2008a).

2. Etude in situ des transferts de masses dans la b arrière étanche:

Instrumentation de la couverture

2.1. Présentation du site pilote

2.1.1 Localisation L'Installation de Stockage de Déchets des « Petits Pourcieux » située sur la commune de Chatuzange-le-Goubet dans le département de la Drôme en région Rhône-Alpes reçoit les déchets non dangereux (déchets ménagers et déchets industriels banals) du bassin Drôme Ardèche. Chatuzange-le-Goubet bénéficie d'un climat tempéré dont la principale caractéristique est un vent presque permanent qui souffle le long du couloir rhodanien. L'influence du climat méditerranéen se fait clairement ressentir avec un ensoleillement annuel élevé (environ 2300 heures/an). Les étés, typiquement méditerranéens, sont chauds et secs. La température moyenne du mois de juillet est de 22 °C (Table. V-1). Les hivers, frais et lumineux, s'inscrivent plutôt dans un climat de type semi-continental; la température moyenne du mois le plus froid (janvier) est ainsi de 3,5 °C. La pluviométrie annuelle est relativement élevée : environ 850 mm par an (Fig. V-1). Les pluies sont particulièrement importantes à l'automne (en novembre la pluviométrie mensuelle est de plus de 100 mm) où elles tombent durant des épisodes orageux.

108

Table. V -1

Moyennes des précipitations annuelles de 1971 à 1995 et données thermométriques de 1986 à 1995.

Fig. V -1

Températures moyennes et hauteur des précipitations en 1990.

109

2.1.2 Historique du site et mode d'exploitation L’exploitation du site de Chatuzange-le-Goubet sous sa forme actuelle a débuté en 1992 et devrait se poursuivre jusqu'en 2021, dans le cadre d’une extension du site actuel. Au cours des quinze années d’exploitation passées, le site a reçu annuellement 110 à 160 000 tonnes de déchets stockés dans 6 casiers de 30 à 40 m de hauteur (Fig. V-4):

• Les alvéoles A, B et C totalement exploitées et couvertes (Fig. V-2); • Les alvéoles D et E partiellement exploitées et recouvertes chacune par une

couverture provisoire (Fig. V-2); • l’alvéole F en exploitation (Fig. V-3).

Deux millions de mètres cube de matériaux ont été extraits afin de créer une septième alvéole, l’alvéole G, qui permettra au site d’être en activité jusqu’en 2021. Ce centre reçoit actuellement entre 200 000 tonnes de déchets par an soit une moyenne de plus de 550 tonnes de déchets par jour. Les alvéoles sont exploitées typiquement en deux phases successives : 1ère phase : Remplissage sur 5 à 36 mètres puis pose d’une couverture provisoire. La

couverture provisoire est disposée dans l'attente de la mise en place du réseau de drainage du biogaz pour une période de 2 ou trois ans durant laquelle les déchets vont effectuer leur tassement primaire (environ 10% de la hauteur initiale du massif).

2èmephase : Après cette période de repos de durée variable, retrait de la couverture provisoire et rechargement sur une hauteur supplémentaire de 3 à 9 mètres. Enfin pose de la couverture définitive.

Dans le cadre de cette étude nous nous intéresserons uniquement à l’alvéole C.

Fig. V -2

Au premier plan : alvéole B avec sa couverture définitive Au deuxième plan : alvéole E avec sa couverture provisoire

Au dernier plan : alvéole D en fin d’exploitation.

Alvéole B

Alvéole E

Alvéole D

110

Fig. V -3

Alvéole F après l’extraction de matériaux.

Fig. V -4

Vue en plan de l’ISD de Chatuzange (les coordonnées sont données en mètres).

Casier C

Casier B

Casier A

Casier E

Casier F

111

2.1.3 Le casier expérimental

2.1.3.1 Exploitation du casier

L’alvéole C est située le plus au sud du site de stockage des déchets (Fig. V-8 et Fig. V-9). Elle a une surface d’environ 11 000 m2. Cette alvéole a subi une première phase d’exploitation entre février 1998 et janvier 2000 (Fig. V-5).

Déchets contenus dans l’alvéole.

Depuis 4 ans, cette alvéole était fermée par une couverture provisoire constituée de (Fig. V-6) :

• 30 cm terre végétale; • 50 cm "tout venant"; • GSB 3kg/m2; • 30 cm "tout venant".

Suite aux forts tassements des déchets observés entre 2000 et 2005, un volume de 18000 m3 s’était libéré. Au cours du mois de janvier 2006 cette couverture a été retirée. L'exploitant a ensuite procédé à la recharge de l’alvéole (3 m de haut).

Déchets contenus dans l'alvéole C

0

10

20

30

40

50

60

70

OM

et r

ésid

us d

’OM

DIB

Boues

Refus

com

posta

ge

Refus

de

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%

Fig. V -5

112

Configuration de la couverture provisoire de l’alvéole.

2.1.4 Description de la couverture mise en place

Au début du mois de juin 2006 la couverture définitive de l’alvéole a été posée (Fig. V-7):

• 30 cm terre végétale; • 40 cm "tout venant"; • Géodrain (bandes de 5m de large); • GSB 5 kg/m2; • Géodrain/sable (bandes de 5m de large); • 40 cm "tout venant".

Le Géosynthétique Bentonitique (GSB) constitue la couche d’étanchéité définitive de cette couverture. Les GSB assurent leur fonction d'étanchéité après hydratation et confinement (CFG fascicule 12). Deux GSB différents ont été installés sur la zone expérimentale. Ces deux GSB sont les produits les plus couramment utilisés pour réaliser les barrières étanches des couvertures dans les centres de stockage en France. Tous les deux sont des GSB aiguilletés contenant 5 kg/m2 de bentonite sodique. La différence notable entre les deux produits se situe au niveau de la forme de la bentonite retenue entre les deux géotextiles. En effet l'un contient de la bentonite en poudre (Po GSB) et l'autre des granulés de bentonite (Gr GSB). Suivant les conditions de pose et d’hydratation des lés de GSB mais aussi, suivant les conditions auxquelles est soumis le GSB sur le site pendant plusieurs années, cette différence peut engendrer des écarts dans le comportement des deux types de GSB. Le "tout venant" est un matériau sableux à granulométrie étalée. Une description plus complète de ces matériaux figure à la section 2. de ce même chapitre.

GSB 3 kg/m2

30 cm

50 cm

Déchets

Terre végétale

Tout Venant 40 cm

Tout venant

Fig. V -6

113

Configuration de la couverture définitive de l’alvéole.

Fig. V -8

Casier C après la mise en place de la couverture définitive (été 2006).

Fig. V -7

GSB 5 kg/m2

30 cm

Geocomposite de drainage

40 cm

Déchets

Terre végétale

Tout venant

Tout venant 40 cm

114

Fig. V -9

Casier C engazonné (printemps 2008).

2.2. Expérimentation in situ Lors de la pose de la couverture définitive, des appareillages de mesure ont été positionnés sur et sous les deux GSB différemment conditionnés. Cette instrumentation nous permet de suivre l’évolution au cours du temps d’un certain nombre de paramètres tels que la quantité d’eau traversant le GSB, l’humidité du sol, les températures, les flux de biogaz émis ….

2.2.1 Zone expérimentale La zone d’expérimentation choisie se situe au nord–ouest de l’alvéole (Fig. V-10). Cette zone a été choisie car elle a une surface plane et possède à peu près une même pente (5%) tout le long des 30 m de GSB qui vont être instrumentés (Fig. V-11). De plus cette zone est proche d’un bord de l’alvéole.

Fig. V -10

Vue en plan de l’alvéole C.

115

Fig. V -11

Zone expérimentale avant la mise en place de l'instrumentation et de la couverture.

L'instrumentation est constituée de (Fig. V-12):

• Six lysimètres reliés à deux regards contenant des réservoirs pour collecter l’eau ayant traversée les GSB;

• Quatre piézomètres; • Huit thermocouples; • Douze capteurs d’humidité; • Deux dispositifs de chambre à flux sous le GSB; • Deux dispositifs de chambre à flux sur le GSB; • Un pluviomètre; • Deux centrales d’acquisition.

116

Fig. V -12

Schéma de la répartition des appareillages dans la zone expérimentale.

Po Gr Gr Po Po

Tube Rilsan

Gr

P

o

Lé de GSB de type Gr

Lé de GSB de type Po

Centrale d’acquisition

Capteurs d’humidité

Piézomètres

Capteurs de température

Fil électrique gainé

Lysimètre sous GSB à teneur en eau de réception

Lysimètre sous GSB pré-hydraté

Chambre à flux sous le GSB

Chambre à flux sur le GSB

Regard avec réservoirs

~ 14 m

117

2.2.2 Etude des flux hydriques: présentation et mise en en place des lysimètres

Afin de connaître les volumes d’eau qui traversent les GSB, six lysimètres ont été placés sous les deux types de GSB (trois lysimètres par type de GSB) avec pour chacun d’eux :

• un lysimètre sous le GSB pré-hydraté in situ; • un lysimètre sous le GSB à sa teneur en eau de réception; • un lysimètre sous un recouvrement entre deux lés.

L’organigramme ci-dessous nous présente les différentes configurations testées (Fig. V-13).

Organigramme représentant les différentes configurations de GSB testées. Les lysimètres sont installés sur un casier réel, sur la couche de forme placée au dessus des déchets et ils possèdent donc la même couverture que l'ensemble du casier. Ils n'ont pas été placés en marge d'un casier dans une zone sans déchets ou encore dans des minis-casiers etc…Comme c'est souvent le cas dans ce type d'étude pour plus de commodité. Il apparaît important de bien souligner cela car c'est une des spécificités de cette étude; nous nous plaçons à l'échelle réelle d'un casier de stockage, et suivons le comportement de la couverture en temps et conditions hydriques et thermiques réels. Les lysimètres sont constitués par la superposition d’une géomembrane de 0,9 mm d’épaisseur et 2,60 m de large et d’un géocomposite de drainage de 2 m de large; ils ont chacun une surface environ égale à 29 m2 (14,5m×2m) (Fig. V-14; Fig. V-15; Fig. V-16; Fig. V-17).

6 lysimètres

Teneur en eau de réception + zone de

recouvrement entre 2 lés de GSB

GSB

Po GSB Gr GSB

Teneur en eau de

réception

Pré-hydraté

Teneur en eau de réception + zone de recouvrement entre 2 lés de GSB

Pré-hydraté

Teneur en eau de

réception

Fig. V -13

118

Schéma du lysimètre sous la couverture (vue en coupe).

Schéma du lysimètre sous la couverture (vue de dessus).

Déchets

Tout venant

GSB

Eau s’infiltrant dans la couverture

Terre végétale

Tout venant

Réservoir

Membrane en PVC Géodrain

Tube Rilsan

Membrane en PVC

Géodrain

Membrane en PVC rabattue et collée sur le géodrain

Réservoir

Fig. V -14

Fig. V -15

119

Les quatre cotés des géomembranes dépassant des géodrains sont ensuite rabattus et collés sur ceux-ci afin de garantir l'étanchéité latérale des lysimètres (Fig. V-18). Pour chaque lysimètre, dans un des deux coins supérieurs la membrane est percée à l’emporte pièce et un raccord en PVC muni d’un géotextile est installé relié à un tube Rilsan de diamètre 10 mm. Le tout est scotché et collé afin de limiter les tensions et les distorsions de la zone.

Fig. V -16

Pose de la membrane en PVC.

Fig. V -17

Pose du géodrain sur le PVC.

120

Juste avant de recouvrir le lysimètre avec le GSB on réalise en bordure du lysimètre un cordon de pâte bentonitique (Fig. V-19). Ce cordon assurera l’étanchéité entre la géomembrane et le GSB. On peut ensuite dérouler le GSB sur le lysimètre. Les tubes Rilsan amènent l’eau récoltée par le lysimètre jusqu’à des réservoirs de 10 L situés dans deux regards en bordure du casier (Fig. V-20; Fig. V-21 et Fig. V-22). Ces réservoirs sont munis chacun d’un capteur de pression afin de connaître la quantité d’eau qu’ils contiennent et sont protégés du gel par des plaques d'isolant. Des analyses chimiques mensuelles sur des échantillons d’eau recueillis dans les lysimètres ainsi que de l’eau de pluie sont effectuées. En effet, après filtration, les anions sont analysés par chromatographie ionique et les cations par ICP-AES (voir section 3.3.1 du même chapitre).

Fig. V -18

Lysimètres prêts à être recouvert par le GSB.

Membrane en PVC rabattue, collée et

scotchée sur le géodrain Raccord au tube

rilsan collé

121

Fig. V -19

Lysimètre en train d’être recouvert par le GSB.

Fig. V -20

Regard en bordure de l’alvéole lors de la mise en place.

Tube Rilsan amenant l’eau du lysimètre

122

Fig. V -21

Regard en bordure de l’alvéole.

Fig. V -22

Réservoirs isolés dans les regards après la mise en place.

2.2.3 Suivi de l'hydratation des matériaux

2.2.3.1 Présentation et mise en place des blocs de gypse

L’humidité de chaque niveau de sol est mesurée grâce à des blocs de gypse. Un bloc de gypse classique est formé de deux électrodes insérées dans un morceau de gypse (dans notre cas cylindrique) (Fig. V-23). Le gypse transmet facilement et rapidement l’eau, le bloc va donc se mettre en équilibre avec la succion du sol dans lequel il est placé. De plus, le gypse crée un tampon contre les sels qui peuvent affecter la conductivité et engendrer des erreurs de mesure. La résistance électrique entre les deux électrodes présentes dans le bloc est mesurée. Si le sol est humide, tous les pores du morceau de gypse sont remplis d’eau et le courant électrique entre les deux électrodes sera bien conduit. En revanche, lorsque le sol s’assèche, les larges pores vont d’abord se vider de leur eau puis les pores de plus en plus petits se vident à leur tour en même temps que la succion du sol augmente. Le courant électrique doit alors effectuer un trajet plus long au travers des petits pores et la résistance électrique est donc plus grande.

123

Trois zones de mesure avec pour chaque zone quatre sondes sur une même verticale afin de suivre dans le temps l’évolution du front d’infiltration ont été mises en place une fois que la couverture du casier a été achevée. En effet, aux endroits repérés en amont de la pose de la couverture, plusieurs trous à différentes profondeurs ont été effectués à la tarière de diamètre 40 mm sans toutefois atteindre la profondeur du GSB. Au fond de chaque trou de tarière, un bloc de gypse a été placé avec l’aide d’un bâton, en plaquant le fil électrique contre la paroi du trou. Puis les trous sont rebouchés avec un « bouchon » de bentonite qui va empêcher la création d’un éventuel écoulement préférentiel de l’eau de pluie jusqu’au bloc de gypse (Fig. V-24). Pour chaque bloc, le câble est placé dans une gaine de protection.

Fig. V -23

Blocs de gypse.

Fig. V -24

Bouchon de Bentonite.

124

2.2.3.2 Présentation et mise en place des piézomètres

Des sondes piézométriques ont été implantées à différents endroits autour des lysimètres. Ces piézomètres sont utiles pour estimer la charge hydraulique qui s’applique sur le GSB quand il pleut. Le tubage piézométrique consiste en une colonne de tube lisse installée verticalement dans le terrain. La base du tubage se termine par un filtre permettant l'entrée d'eau dans la colonne. La mesure du niveau d'eau s'effectue par mesure de pression. Tout comme les capteurs d’humidité, les piézomètres ont été installés après que la couverture du casier soit achevée aux endroits repérés en amont de la pose de la couverture. Là aussi des trous à la tarière de diamètre 70 mm ont été faits sans percer le GSB. Le fond des trous est rempli de sable (matériau drainant), puis les trous sont ensuite intubés avec des tubes piézométriques d’une hauteur de 1,2 m (donc dépassant de 50 cm de la surface du sol) et de 40 mm de diamètre. Les tubes piézométriques sont des tubes en PVC dont une extrémité a été munie d’une chaussette en géotextile et l’autre est fermée pour un bouchon en PVC. Les espaces latéraux entre les tubes et les parois des trous sont remplis de sable sauf près de la surface où l’on remplace le sable par un cordon de bentonite en granulés hydraté pour éviter les écoulements préférentiels le long des tubes car le matériau au contact du piézomètre est souvent moins bien compacté (Fig. V-25 et Fig. V-26).

Schéma d’un piézomètre (vue en coupe).

GSB

Tube en PVC

Bentonite Sable

Bouchon

Géotextile Géodrain

Piézomètre

Fig. V -25

125

Fig. V -26

Piézomètre.

2.2.4 Mesure des flux thermiques: sondes de température et mise en place

Huit thermocouples de type sondes de platine ont été implantés en deux profils voisins afin de suivre l’évolution de la température dans différentes couches de la couverture. Ces sondes sont implantées au niveau (Fig. V-27):

• du GSB; • du tout venant; • de la terre végétale; • de l'air ambiant à l'extérieur.

Pour chaque niveau deux sondes mesurent donc la température ceci afin de palier à une éventuelle déficience de l'un des capteurs.

Tout comme les capteurs d’humidité, les thermocouples ont été mis en place une fois que la couverture du casier est achevée, aux endroits repérés en amont de la pose de la couverture, dans plusieurs trous effectués à la tarière de 40 mm et à différentes profondeurs.

126

Implantation des thermocouples.

2.2.5 Etude des flux de gaz L’autre partie de cette expérimentation concerne l’étude des flux de biogaz émis par les déchets et traversant le géosynthétique bentonitique grâce à deux dispositifs de chambre à flux.

2.2.5.1 Chambre à Flux sous le GSB

Le premier se situe sous le GSB et se construit comme un lysimètre (Fig. V-28). C’est une véritable « poche » étanche sous le GSB qui, lorsqu’elle est mise sous pression d’azote, permet la détermination du coefficient de perméabilité au gaz par deux méthodes :

• en régime permanent par mesure du débit et des pressions amont et aval (norme NF XP P84 707);

• en régime variable en suivant la chute de pression de l’azote dans la poche.

Schéma de la chambre à flux sous la couverture (vue en coupe).

GSB

Géomembrane

Matériau drainant

Entrée du gaz

Sortie du gaz (Purge)

Etanchéité latérale : Cordon de Bentonite

Couverture

Géodrain

GSB Geocomposite de drainage

Déchets

Terre végétale

Tout venant

Tout venant

Thermomètre

Fig. V -27

Fig. V -28

127

La chambre à flux sous le réservoir se construit comme un lysimètre (Fig. V-29). Quelques différences sont tout de même à noter :

• La taille des chambres à flux est inférieure à celles des lysimètres (taille de la membrane en PVC : 2,6 m × 2,6 m et taille du géodrain : 2 m × 2 m);

• Deux tubes rilsan sont présents: d’un coté et de l’autre de la chambre. Ils remontent à la surface afin de permettre une purge du système avant d’effectuer des mesures ainsi que l’entrée et la sortie de gaz pour les mesures en régime permanent;

• Un point bas est créé afin de pouvoir purger l’eau avant de faire des mesures de perméabilité.

Fig. V -29

Chambre à flux sous le GSB lors de son installation Mise en place du cordon étanche latéral de bentonite.

2.2.5.2 Chambre à flux sur le GSB

Le deuxième dispositif est utilisé pour étudier les biogaz issus de la décomposition des déchets et qui traversent la barrière pour s'échapper ensuite dans l'atmosphère. Pour cela, un lysimètre inversé est construit dans la couverture directement sur le GSB et permet ainsi de piéger le biogaz qui passe au travers de celui-ci (Fig. V-30 et Fig. V-31). En surface, la poche peut être raccordée par des tubes rilsan à un analyseur de gaz. Celui-ci dose alors le CH4 et le H2S (ou d’autres gaz) contenu dans le gaz piégé dans la poche. Un balayage à l’azote peut être aussi être mis en place dans cette « poche » avec une pompe afin de suivre la modification de la composition du biogaz au cours du temps. La chambre à flux sur le GSB est constituée de bas en haut par :

• un géodrain; • une géomembrane en PVC de 0,9 mm d’épaisseur.

128

En effet, le géodrain (2 m × 2 m) est placé sur la surface du GSB (Fig. V-32). En bordure deux cordons sont réalisés avec de la pâte bentonitique (Fig. V-33). Ces cordons assurent l’étanchéité entre le GSB et la géomembrane en PVC placé sur le géodrain. La géomembrane en PVC (2,6 m × 2,6 m) est ensuite installée sur le géodrain (Fig. V-32).

Schéma de la chambre à flux sur la couverture (vue en coupe).

Schéma de la chambre à flux sur la couverture (vue du dessus).

Géomembrane posée sur le matériau drainant

Sortie du gaz

Matériau drainant posé sur le GSB

Entrée du gaz

Géomembrane

Matériau drainant GSB

Entrée du gaz vecteur Sortie du gaz

vecteur

Etanchéité latérale : Cordon de Bentonite

Couverture

Déchets

Biogaz

Fig. V -30

Fig. V -31

129

Ce lysimètre inversé est percé sur sa diagonale et aux deux extrémités par deux orifices équipés par des raccords en coudes prolongés de tubes rilsan. Ces tubes passent ensuite dans une gaine de protection pour sortir au dessus du sol de couverture (Fig. V-34). Sur la géomembrane, à l’endroit des deux raccords, il est déposé de la pâte de bentonite afin de renforcer l’étanchéité ainsi que de la colle pour éviter les tensions et distorsions dans cette zone (Fig. V-33). Le système est ensuite recouvert par un géotextile de protection et du sable fin sur quelques centimètres puis par les matériaux de couverture.

Fig. V -32

Chambre à flux sur le GSB: pose du géodrain.

Fig. V -33

Chambre à flux sur le GSB: étanchéité latérale.

130

Fig. V -34

Chambre à flux sur le GSB avant la mise en place des matériaux de couverture.

2.2.6 Pluviomètre Un pluviomètre a été installé et permet un suivi de la pluviométrie sur la zone expérimentale (Fig. V-35).

Fig. V -35

Pluviomètre. Les données du pluviomètre sont comparées aux valeurs de pluviométrie fournies par Météo France provenant de la station de Chatuzange-le-Goubet.

131

2.2.7 Centrale d’acquisition

Afin d’automatiser la majorité des mesures avec des pas de temps rapprochés, deux centrales d’acquisition ont été mises en place (Fig. V-36 et Fig. V-37). Elles nous permettent d’enregistrer les données des capteurs de température, des sondes d’humidité, des piézomètres, du pluviomètre ainsi que des capteurs de pression contenus dans les bidons avec un pas de temps de 30 minutes. Les centrales d’acquisition ont été placées au bord du casier au centre des lés instrumentés dans des boîtiers protecteurs étanches (contre la pluie et les dégradations humaines) eux mêmes fixés sur un poteau en hauteur. Le pluviomètre et les capteurs de pressions sont reliés à la deuxième centrale. Celle-ci permet lorsque le pluviomètre reçoit de la pluie de rapprocher le pas de temps des mesures de 30 minutes à 30 secondes. Ce pas de temps rapproché reste effectif jusqu'à 30 minutes après l'arrêt de la pluie et permet ainsi l'étude du temps de réponse de la couverture à un évènement pluvieux. D'autre part, les capteurs de pression sont amplifiés et nécessitent une alimentation en 5 Volts chacun ce qui réduit considérablement la durée de la batterie de la centrale reliée à ces capteurs. Un dispositif de recharge automatique de la batterie grâce à un panneau solaire a donc été mis en place (Fig. V-38).

Fig. V -36

Première centrale d’acquisition.

132

Fig. V -37

Deuxième centrale d’acquisition.

Fig. V -38

Panneau solaire relié à la deuxième centrale.

2.2.8 Suivi des tassements En grande majorité les déchets déposés dans le casier ont déjà effectué leur tassement primaire. La hauteur maximale des déchets mis en place lors de la recharge du casier est de 3 m. On peut donc s'attendre à des tassements relativement faibles. Toutefois, les tassements différentiels peuvent engendrer des inversions de pente qu’il convient de prévenir pour éviter l’accumulation d’eau dans les lysimètres et garantir leur bon fonctionnement. Le suivi des tassements est donc effectué grâce aux plans topographiques du casier réalisés chaque année par l'exploitant. La technique traditionnelle de suivi des tassements de surface consiste à relever à intervalles réguliers la côte topographique d’un canevas de points matérialisés par des repères scellés (pouvant prendre la forme de piquets de bois, bornes plastiques, plaques et tiges soudées, etc…) au moyen d’un tachéomètre électronique faisant à la fois office de distance-mètre et de théodolite.

133

3. Caractérisation en laboratoire des matériaux con stitutifs de la

couverture

3.1. Essais sur les sols de couverture

3.1.1 Essais d'identification

3.1.1.1 Teneur en eau

La teneur en eau massique des échantillons de sol a été mesurée. La teneur en eau massique est un pourcentage indiquant le rapport entre le poids total de l’échantillon sur le poids de l’échantillon sec (après passage à l’étuve). Pour cela, des échantillons des matériaux ont été prélevés lors de la mise en place des expérimentations et conservés dans des bacs hermétiques jusqu'au laboratoire. Ces teneurs en eau correspondent aux teneurs en eau initiales des matériaux sur site. Les teneurs en eau des sols obtenues sont très faibles (Table. V-2). En effet, la mise en place a été effectuée lors d'une période de forte chaleur.

Tout venant Terre végétale 5% 2%

Table. V -2

Teneur en eau initiale des matériaux installés.

3.1.1.2 Granulométrie

L'analyse granulométrique par voie humide a été effectuée sur les deux matériaux présents dans la couverture ainsi que sur un sol calcaire qui sera utilisé dans la suite de l'étude (Fig. V-40). Les trois matériaux présentent une granulométrie étalée. On constate sur la figure que les deux matériaux du site contiennent prés de 30% de particules dont la taille est comprise entre 0,2 et 0,4 mm. Le matériau calcaire présente une distribution plus homogène des grains.

134

0

20

40

60

80

100

0.010.1110Diamètre des tamis (mm)

Pou

rcen

tage

de

pass

ants

(%

)

Terre végétaleTout venantSol calcaire

Fig. V -40

Analyse granulométrique des matériaux.

3.1.1.3 Valeur de bleu L'essai de valeur de bleu nous renseigne sur la teneur en argile des matériaux (Fig. V-41). Les deux échantillons de sol présentent une fraction argileuse très faible (Table. V-3). La détermination des limites d'Atterberg est donc impossible.

Type de sol Volume de bleu de méthylène (mL) Surface spécifique (m2/g)

Terre végétale 170 59 Tout venant 38 13

Table. V -3

Valeurs au bleu des deux matériaux.

Fig. V -41

Essai de valeur au bleu.

135

3.1.1.4 Teneur en calcaire

La détermination de la teneur en carbonates des deux matériaux de couverture a été effectuée et comparée à celle du sol calcaire (Table. V-4)). Le tout venant contient presque 25% de calcaire et est de ce fait une source importante d'ions Ca au sein de la barrière étanche. La terre végétale en revanche contient peu de calcaire.

Type de sol Masse de l'échantillon (g)

Volume de CO2 émis (mL)

Masse de CaCO3 dans l'échantillon (g)

Teneur en CaCO3 de l'échantillon (%)

Terre végétale 1 8 0.033 3.15 Tout venant Sol calcaire

1 0.25

56 55

0.230 0.229

24.75 99

Table. V -4

Teneur en calcaire des deux matériaux.

3.1.2 Essais de perméabilité à l'eau

Les essais pour déterminer la conductivité hydraulique des matériaux ont été menés dans des perméamètres à parois rigides (ou PPR). Un PPR est composé de plusieurs éléments (Fig. V-42; Fig. V-43):

• un porte échantillon cylindrique indéformable; • deux embases reliées au porte échantillon et munies de vannes qui assurent

l'étanchéité; • deux pierres poreuses de perméabilité supérieure à celle de l'éprouvette testée.

L'embase inférieure est reliée à un tube de Mariotte permettant de maintenir une charge hydraulique constante et de mesurer les volumes d'eau entrant dans l'éprouvette. Après établissement d'une circulation d'eau dans le sens axial de l'éprouvette grâce à l'application d'une différence de charge entre les deux faces de l'éprouvette, le coefficient de perméabilité peut être déterminé par lecture directe des débits d'eau entrant et sortant de l'éprouvette. Les éprouvettes de sol sont préparées avec les deux matériaux issus du site dans le porte échantillon par compaction avec les mêmes ratios et la même densité que les couches constituant la couverture in situ. Sachant que sur le site, la proportion de terre végétale est de 30 cm pour 40 cm de tout venant ou de calcaire, nous avons donc superposé à chaque fois 9 cm de terre végétale et 12 cm de tout venant ou de calcaire à une densité de 1500 kg/m3 pour tous ces matériaux dans un PPR de hauteur 23,3 cm. En connaissant le diamètre du perméamètre de 14,2 cm nous en avons déduit les masses de terre végétale et de tout venant/calcaire introduites :

Mterre végétale= ρ × V = 2,14 kg Mtout venant/calcaire = ρ × V = 2,85 kg

136

Un échantillon bicouche avec du sol calcaire a également été étudié afin de pouvoir ultérieurement comparer les effets des sols de couverture riches en Ca sur le GSB. De l'eau de pluie est utilisée comme fluide de percolation afin de se rapprocher des conditions in situ. Pour la détermination de la conductivité hydraulique des charges élevées ont été utilisées afin de permettre la saturation de l'éprouvette (jusqu'à 13 cm de charge). Les valeurs de perméabilité obtenues sont présentées à la Table. V-5.

Fig. V -42

Schéma de principe du perméamètre à parois rigides.

Terre végétale

Tout venant ou calcaire

Charge

Tube à charge constante

PPR : Porte échantillon Embase supérieure Embase inférieure

Eau de pluie

Liquide de percolation

137

Essai de perméabilité en PPR.

PPR Eprouvette Conductivité hydraulique (m/s)

1 Terre végétale uniquement 6.3×10-5 2 Tout venant uniquement 1.4×10-4 3 Terre végétale et tout venant 9.0×10-5 4 Terre végétale et sol calcaire 1.23×10-8

Table. V -5

Conductivités hydrauliques des deux matériaux et des sols bicouches étudiés. A partir des valeurs trouvées pour la terre végétale et le tout venant seul on peut calculer la perméabilité équivalente du bicouche en utilisant la formule et en supposant un état de saturation du milieu poreux:

1 1 i

ieq i

h

k h k= ∑

(V -1)

Où h est la hauteur totale de l'éprouvette bicouche; hi est la hauteur de chaque couche de sol i; ki est la perméabilité de chaque couche de sol i. On trouve alors keq = 9,9×10-5 m/s. Cette valeur est proche de celle trouvée expérimentalement (Table. V-5).

Fig. V -43

138

Le sol calcaire a une perméabilité plus faible. En effet, comme chaque taille des grains est représentée dans des proportions quasi-équivalentes, les vides du matériau vont être comblés. Une fois que les essais de perméabilité ont été effectués, la charge est réglée de manière à maintenir un goutte à goutte en sortie du PPR (< 1cm de charge). Le liquide de percolation est alors recueilli dans des béchers puis conservé au frais afin d'être utilisé ultérieurement pour effectuer des essais de gonflement sur la bentonite issue des GSB ou encore comme liquide d'hydratation dans les essais de perméabilité des GSB en oedoperméamètres.

3.1.3 Analyse des cations en solution

3.1.3.1 Essais batch

Cet essai permet de quantifier la quantité d’ions initialement contenus dans les sols qui vont être transmis à un liquide après agitation. Le matériau testé reste en contact dans un bécher avec l’eau à température constante. On quantifie le nombre d’ions à travers les mesures de conductivité et de pH du surnageant jusqu’à l’obtention d’un palier. La température pouvant être un paramètre favorisant les échanges, la température ambiante fait aussi partie des mesures. Dans notre cas, 200 grammes de sol ont été mélangés avec 400 grammes d’eau déminéralisée (conductivité électrique égale à 2 µS/cm et pH égal à 9). Le sol et l’eau ont été agités durant 10 minutes avec un agitateur à vitesse élevée (Fig. V-44). Le pH et la conductivité sont ensuite déterminés à l’aide d’une sonde. La dureté, les sulfates et les chlorures du surnageant sont aussi estimés en utilisant des bandelettes colorées.

Echantillons testés après agitation.

Les cinétiques suivantes ont été obtenues pour l'évolution du pH et de la conductivité (Fig. V-45; Fig. V-46). Le temps de stabilisation est supérieur à deux semaines. Il correspond au moment où l’opérateur considère que les courbes de cinétiques atteignent un palier. Le temps de transfert des ions dans l’eau est donc relativement long. La terre végétale et le sol calcaire transmettent plus d’ions que le tout venant puisque la conductivité est plus élevée.

Tout Venant Terre végétale

Fig. V -44

139

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0.00

0.21

1.00

1.99

2.92

3.99

6.87

9.10

10.97

14.80

Temps (Jours)

Con

duct

ivité

(m

icro

S/c

m)

20

21

22

23

24

25

26

T (

°C)

Terre végétaleTout venantSol calcaireTempérature

Fig. V -45

Evolution de la conductivité électrique des solutions au cours du temps.

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

0.00

0.21

1.00

1.99

2.92

3.99

6.87

9.10

10.97

14.80

Temps (Jours)

pH

20

21

22

23

24

25

26

T (

°C)

Terre végétaleTout venantSol calcaireTempérature

Fig. V -46

Evolution du pH des solutions au cours du temps.

Le tableau ci-après récapitule les résultats obtenus (Table. V-6).

140

Conductivité

initiale (µS/cm) Conductivité

finale (µS/cm) pH initial après

agitation pH final Durée de l'essai Terre végétale 38 197 9.1 8.1 14 jours

Tout venant 35 114 9.5 8.1 14 jours Sol calcaire 60 160 8.8 7.6 6 jours

Table. V -6

Récapitulatif des résultats du Batch test. Concernant les résultats des tests de bandelettes, globalement nous observons une baisse de la dureté de l’eau. En effet, après agitation, les bandelettes indiquent une dureté maximale (20 °d) pour le tout venant. Alors que la dureté après agitation de la terre végétale est de 6 °d. Cette dureté descend très rapidement pour le tout venant (6 °d après 16 heures) et légèrement pour la terre végétale (0 °d). Au final, les ordres de grandeurs suivants ont été obtenus pour les deux échantillons : - dureté : 3 °d ; - sulfate : <200 mg/L ; - chlorures : 0 mg/L.

Fig. V -47

Résultats des bandelettes et échelles de couleur pour les sulfates.

Des différences de couleur entre les deux échantillons sont notables mais cela ne peut pas se traduire par des valeurs puisque elles appartiennent à la même échelle de couleur (Fig. V-47). L’utilisation des bandelettes n’est donc pas aisée à cause de la lecture de l’échelle de couleur. De plus, cet essai apporte des informations non capitales car les valeurs obtenues sont en dessous des seuils de détection.

141

L’eau des batch test a été ensuite filtrée et récupérée pour faire des essais de gonflement avec la bentonite issue des GSB (Voir section 2.2.1.4). Elle a été conservée au froid.

3.1.3.2 Essais en colonnes

Cet essai permet de quantifier les ions initialement contenus dans les sols qui vont être lessivés lors du passage d'un flux de liquide. Les essais de lessivage en colonne sont effectués après la saturation totale de l'échantillon de sol (Benson 2007). La méthode et l'appareillage utilisés sont les mêmes que lors des essais de perméabilité dans les PPR (Section 1.3.1.2). La faible charge imposée (< 1 cm) permet de simuler au mieux l'infiltration in situ qui se fait de manière lente (< 20 mL/h) tout en récoltant suffisamment de liquide de percolation afin d'effectuer les analyses. Les échantillons de percolats à analyser sont prélevés chaque fois que le volume de percolats récolté atteint un multiple du volume des pores du GSB. Ce volume des pores est déterminé à la Section 1.3.2 de ce même chapitre et correspond à environ 0,4 L pour un échantillon de GSB de 314 cm2 (correspondant au diamètre de l'oedoperméamètre concerné par l'écoulement). On constate que le pH et la conductivité sont plus élevés dans les percolats issus des essais en colonnes que dans ceux provenant des batch tests (Table.V-6 et V-7). En effet, le rapport liquide sur solide dans les colonnes est inférieur à celui des batch tests; les percolats seront donc plus concentrés pour les premiers litres récoltés. Les concentrations des ions contenus dans les percolats sont alors déterminées par Chromatographie ionique et par ICP-AES (Spectrométrie d'émission atomique par plasma à couplage inductif) par l'équipe Carnot du laboratoire LGCIE (Table. V-8). La chromatographie ionique (CI) est une technique séparative et d'analyse par chromatographie des espèces ioniques organiques ou inorganiques présentes dans les mélanges en solution. Le principe de la CI est simple : la séparation des ions se fait dans une colonne composée d'une résine chargée soit positivement (pour séparer des anions) soit négativement (pour séparer des cations). L'éluant emporte les anions ou les cations à séparer. Si l'interaction électrostatique entre la résine de la colonne et les ions à séparer est plus ou moins forte, la séparation se fera plus ou moins facilement. L'ICP-AES est une méthode physique d'analyse chimique permettant de doser la quasi-totalité des éléments simultanément. Le principe d'analyse par ICP-AES est le suivant: un échantillon est prélevé, nébulisé et transmis vers le plasma. Là, il subit les différentes étapes de décomposition, d'atomisation, d'ionisation; les atomes et les ions générés sont alors excités. L'intensité des raies émises par ces espèces, lors de leur retour vers les niveaux d'énergie fondamentaux, est ensuite mesurée. Les cations de Na, Ca, Mg et K sont particulièrement intéressants à cause de leur grande influence sur le gonflement des bentonites. Pour toutes les solutions issues des PPR, Ca apparaît comme le cation dominant. En effet, sa concentration atteint jusqu'à 74,2 mg/L dans le premier volume (0,4L) ayant traversé la terre végétale. Et même si cette concentration diminue au fur et à mesure que les volumes de solutions récoltées augmentent, celle-ci reste supérieure à 40 mol/L après 2,5 L de solution récoltée (Fig. V-48; Fig.V-49).

142

Les sols de couverture sont donc des sources d'ions Ca et peuvent donc avoir une influence sur l'évolution des caractéristiques d'étanchéité des GSB mis en place sur le site.

Essais en PPR

Eprouvette Volume collecté

(L) Conductivité

(µS/cm) pH

1 Terre végétale 0.4 617 8.14

2 Tout venant 0.4 189 8.17

3a Terre végétale et tout venant 0.4 333 7.4 3b Terre végétale et tout venant 0.8 276 7.2 3c Terre végétale et tout venant 1.2 322 7.5 3d Terre végétale et tout venant 1.6 296 7.4 3e Terre végétale et tout venant 2.0 235 6.8 3f Terre végétale et tout venant 2.4 305 6.8 3g Terre végétale et tout venant 2.8 264 7.0 4a Terre végétale et sol calcaire 0.4 474 6.5 4b Terre végétale et sol calcaire 0.8 341 6.9 4c Terre végétale et sol calcaire 1.2 295 7.2 4d Terre végétale et sol calcaire 1.6 252 7.4 4e Terre végétale et sol calcaire 2.0 248 7.1 4f Terre végétale et sol calcaire 2.4 329 7.3

Table. V -7

Conductivité et pH des percolats récoltés des essais en colonnes.

Table. V -8

Concentration des ions dans les percolats récoltés des essais en colonnes. L'abréviation LD signifie limite de détection.

Concentration des ions Essais en PPR

(mg/L)

Ca2+ K+ Mg2+ Na+ Cl- SO42- PO4

3- NO3-

1 146.60 0.80 2.62 3.50 2.80 1.34 0.048 <LD

2 31.82 0.60 0.43 1.05 0.615 6.29 0.027 0.068 3a 74.20 1.99 1.03 5.36 5.93 26.0 <LD 39.3 3b 53.30 0.91 0.90 3.04 1.37 13.9 <LD 3.72 3c 63.10 0.96 1.13 4.45 1.19 20.4 <LD 0.534 3d 56.20 1.07 1.02 3.29 1.18 21.7 <LD <LD 3e 56.20 0.98 1.13 2.46 1.13 16.6 <LD <LD 3f 59.90 0.95 1.24 1.83 1.24 23.2 <LD <LD 3g 58.50 0.76 1.16 1.31 1.28 18.7 <LD <LD 4a 36.30 3.78 2.08 55.20 15.2 58.6 <LD 29.5 4b 55.60 1.83 3.27 9.02 2.44 28.9 <LD 0.316 4c 51.40 1.30 2.64 3.74 1.41 18.7 <LD <LD 4d 44.70 1.10 1.86 2.43 1.33 13.3 <LD <LD 4e 44.10 0.85 2.05 1.98 1.21 11.7 <LD <LD 4f 40.50 0.89 1.56 1.37 1.19 13.9 <LD <LD

143

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Volume de percolât collecté (L)

Con

cent

ratio

n (m

g/L)

CaMgNaKCl-SO42-NO3-

Fig. V -48

Concentrations des ions contenus dans l'eau ayant lessivée le bi-couche "Terre végétale + Tout venant".

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Volume de percolât collecté (L)

Con

cent

ratio

n (m

g/L)

CaMgNaKCl-SO42-NO3-

Fig. V -49

Concentrations des ions contenus dans l'eau ayant lessivé le bi-couche "Terre végétale + Sol calcaire".

Les percolats issus de la terre végétale contiennent une plus grande quantité d'ions Ca que ceux issus de la couche de tout venant. En effet, la terre végétale contient des cations facilement extractibles lorsque le sol est en contact avec un flux d'eau et cette couche de sol va donc être rapidement lessivée in situ. En revanche, le tout venant, qui est composé d'une plus grande quantité de CaCO3, va céder des ions Ca en plus faible quantité mais pendant un temps beaucoup plus long.

144

La force ionique et le RMD des solutions obtenues sont calculés et comparés dans la Table.V-9; la Fig.V-50 et Fig.V-51.

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Volume de percolât récolté (L)

For

ce io

niqu

e (m

ol/L

)

Terre végétale et tout venant

Terre végétale et sol calcaire

Terre végétale

Tout venant

Fig. V -50

Force ionique calculée à partir de la concentration des ions présents dans les percolats en fonction du volume récolté.

PPR Eprouvette Volume collecté

Force

Ionique RMD

(L) pH (mol/L)

1 Terre végétale 0.4 8.1 7.69E-03 0.002

2 Tout venant 0.4 8.2 1.80E-03 0.002 3a Terre végétale et tout venant 0.4 7.4 4.87E-03 0.006 3b Terre végétale et tout venant 0.8 7.2 3.15E-03 0.004 3c Terre végétale et tout venant 1.2 7.5 3.80E-03 0.005 3d Terre végétale et tout venant 1.6 7.4 3.44E-03 0.004 3e Terre végétale et tout venant 2 6.8 3.33E-03 0.003 3f Terre végétale et tout venant 2.4 6.8 3.64E-03 0.003 3g Terre végétale et tout venant 2.8 7 3.46E-03 0.002 4a Terre végétale et sol calcaire 0.4 6.5 4.90E-03 0.067 4b Terre végétale et sol calcaire 0.8 6.9 3.90E-03 0.010 4c Terre végétale et sol calcaire 1.2 7.2 3.29E-03 0.005 4d Terre végétale et sol calcaire 1.6 7.4 2.75E-03 0.004 4e Terre végétale et sol calcaire 2 7.1 2.68E-03 0.003 4f Terre végétale et sol calcaire 2.4 7.3 2.50E-03 0.002

Table. V -9

Force ionique et RMD des percolats récoltés des essais en colonnes.

145

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Volume de percolât récolté (L)

RM

D

Terre végétale et tout venant

Terre végétale et sol calcaire

Terre végétale

Tout venant

Fig. V -51

Indice RMD calculé à partir de la molarité des ions mono et bivalents (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) dans les percolats en fonction du volume récolté.

Les deux solutions issues des PPR contenant deux couches de matériaux ("Terre végétale + Tout venant" et "Terre végétale + Sol calcaire") ont une force ionique relativement stable comprise entre 0,0050 et 0,0025 mol/L. Les valeurs de RMD sont comprises entre 0,02 et 0,06 pour toutes les solutions sauf pour le premier litre récolté issu du bi-couche "Terre végétale + Sol calcaire" où cette valeur atteint 0,067 puis 0,01. D'après ces résultats, les solutions ioniques obtenues peuvent être utilisées dans les essais de gonflement de la bentonite ou les essais de perméabilité des GSB afin de déterminer les performances à long terme des GSB. En effet, Meer a montré (Meer 2004) que si la force ionique d'une solution n'a que peu d'influence sur la conductivité et sur le gonflement des bentonites, l'indice RMD est quant à lui très important. Les Bentonites exposées à des solutions ayant un RMD < 0,5 lors d'essais de performance ont présenté un échange cationique élevé, un gonflement diminué ainsi qu'une conductivité hydraulique accrue.

3.2. Essais sur les Géosynthétiques bentonitiques

3.2.1 Caractéristiques de la bentonite

3.2.1.1 Teneur en eau

La teneur en eau massique des échantillons de bentonite a été mesurée. Comme pour les sols, des échantillons de GSB ont été prélevés lors de la mise en place des expérimentations et conservés dans des bacs hermétiques jusqu'au laboratoire. Les teneurs en eau correspondent donc aux teneurs en eau de réception des lés de GSB (Table.V-10).

146

Gr GSB Po GSB 12.6% 14.3%

Table. V -10

Teneur en eau de réception des GSB installés.

3.2.1.2 Granulométrie

La granulométrie est effectuée sur les grains « secs » du GSB en granulés après passage à l’étuve (Fig. V-52). Le poids des éléments fins est faible. Moins de 5% de particules inférieures à 400 µm et 60 % de granulés de plus de 1 mm de diamètre.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110Maille Tamis (mm)

Tam

isat

(%

)

Fig. V -52

Courbe granulométrique du GSB en granulés.

3.2.1.3 Valeur de bleu

Lors de l’essai de valeur au bleu, on mesure une valeur de rétention du bleu de méthylène. Cette valeur est à mettre en lien avec le pourcentage d’argile contenu dans la bentonite. Pour les deux bentonites la migration se déroule pour un volume de bleu égal à 30 mL (Table. V-11) (Fig. V-53). Les deux bentonites utilisées contiennent donc la même teneur en argile aux incertitudes de mesures près. Les valeurs de bleu obtenues sont élevées. De telles surfaces spécifiques indiquent que ces argiles contiennent beaucoup de smectites.

Echantillon de Bentonite Volume de bleu (mL) Surface spécifique (m2/g) Po Bentonite 30 628 Gr Bentonite 30 628

Table. V -11

Valeurs de bleu des deux bentonites.

147

Migration lors de l'essai au bleu.

3.2.1.4 Gonflement libre

Le gonflement des sols est fonction de la nature et du pourcentage de minéraux argileux, des cations d’échange, des sels solubles du sol, de la composition chimique de la solution interstitielle et de la présence d’autres matériaux en association avec les minéraux argileux. La méthode utilisée pour déterminer la capacité de gonflement de la bentonite est celle décrite dans la norme XP P84 703. Deux grammes de bentonite sèche en poudre sont placés dans 90 mL d'eau déminéralisée dans une éprouvette graduée de 100 mL. Pour cela, un échantillon de bentonite de 0.1g est introduit dans l'eau toute les trente secondes jusqu'à épuisement des deux grammes. L'éprouvette est ensuite remplie jusqu'à 100 mL avec l'eau distillée. Après 24 heures le volume de gonflement est mesuré en ne tenant pas compte de la bentonite en suspension (Fig. V-54) (Egloffstein 1994, Von Maubeuge 2004).

Essais de gonflement libre de la bentonite.

Dans un premier temps, les indices de gonflement des deux échantillons de bentonite mis en contact avec de l'eau déminéralisée ont été déterminés et permettent ainsi d’obtenir des valeurs témoins (Table. V-12).

Fig. V -53

Fig. V -54

148

Les autres essais de gonflement se rapprochent des conditions in situ (Table. V-12, Table. V-13 et Table. V-14). En effet, dans ces essais de l’eau chargée est utilisée. Cette eau contient des ions transférés des sols soit lors du batch test soit lors des essais de lessivage des sols en colonnes dans les PPR.

Indice de gonflement libre (mL/2g)

Percolats issus des Batch tests

Echantillon de bentonite Eau déminéralisée Terre végétale Tout venant Po Bentonite 28 31.5 32 Gr Bentonite 32 34.5 35.5

Table. V -12

Indices de gonflement obtenus avec de l’eau déminéralisée ainsi qu'avec les fluides issus des batch tests.

Indices de gonflement obtenus avec les fluides issus des essais en PPR avec le bi-couche Terre végétale + Tout venant.

Indice de gonflement libre (mL/2g)

Percolats issus des essais en PPR Echantillon de

bentonite Test 4a Test 4b Test 4c Test 4d Test 4e Test 4f Po Bentonite 30 31 29 29 35 35 Gr Bentonite 36 36 34 35 36

Table. V -14

Indices de gonflement obtenus avec les fluides issus des essais en PPR avec le bi-couche Terre végétale + sol calcaire.

L'indice de gonflement des deux bentonites est en accord avec les valeurs données par les fabricants de GSB (Indice de gonflement > 24 mL/2g) pour tous les fluides de percolation. Des différences apparaissent entre les deux Bentonites; en effet, pour tous les fluides de percolation la bentonite en granulés gonfle légèrement plus que la bentonite en poudre. Tous les indices de gonflement obtenus sont compris entre 29 et 36 mL/2g, valeurs typiques des bentonites sodiques. De plus, contrairement à Benson (2007) dans notre cas, les deux bentonites gonflent plus en présence de l'eau contenant des ions Ca qu'en présence de l'eau distillée. Les essais de gonflement menés en laboratoire avec des solutions issues d'essais de lessivages des sols apparaissent donc être inefficaces pour diagnostiquer la compatibilité entre les sols de couverture et les GSB.

Indice de gonflement libre (mL/2g)

Percolats issus des essais en PPR Echantillon de

bentonite Test 1 Test 2 Test 3a Test 3b Test 3c Test 3d Test 3e Test 3f Test 3g Po Bentonite 31 31 30 32 31 31 33 32 32 Gr Bentonite 32 32 34 34 34 34 34 35

Table. V -13

149

3.2.1.5 Capacité d'échange cationique

Les cations contenus dans les différentes bentonites ont été analysés par le BRGM (Table. V-15.). Les deux bentonites possèdent des teneurs en cations généralement observées dans les bentonites sodiques naturelles (Mackey 2004; Benson 2007; Meer 2007).

Teneur en Cation (cmol/kg)

Etude Echantillon de bentonite CEC (meq) Na Ca Mg K Barral et al. Po Bentonite 81.4 75.6 7.05 3.25 1.1 Barral et al. Gr Bentonite 76.7 55.5 13.1 3.7 1 Benson et al. (2007) Gr Bentonite 55.2 2 4.25 2.5 Meer et al. (2007) Gr Bentonite 74 22 3 2

Table. V -15

Capacité d'échange cationique et teneur en cations des deux échantillons de Bentonite de l'étude ainsi que pour des GSB utilisés dans d'autres études.

3.2.1.6 Teneur en carbonates

Deux échantillons de bentonite, notés respectivement Po bentonite et Gr bentonite ont été envoyés au BRGM en vue d’une analyse des teneurs en carbonates, par calcidolométrie et de la composition isotopique, afin d’obtenir des informations sur l’origine de ces bentonites. La méthodologie utilisée pour les analyses isotopiques est celle décrite par Landis et von Maubeuge (2004). Les échantillons sont séchés à 110°C, puis conservés en dessicateur jusqu’au prélèvement. Compte tenu de la teneur en calcite (de 1 à 2%), 1 g d’échantillon est pesé pour effectuer l’analyse. L’échantillon est placé au fond d’un tube de réaction muni d’un doigt de gant contenant de l’acide H3PO4 100% anhydre (préparé suivant la méthode de McCrea 1950). L’échantillon est mis sous vide plusieurs jours. Le tube fermé est déposé dans une étuve à 50°C le temps de réchauffer l’acide. L’attaque se fait en inclinant le tube de sorte que l’acide entre en contact avec l’échantillon. Le tube est replacé dans l’étuve à 50°C pour la nuit. Après l’attaque, le CO2 des carbonates est extrait et purifié sous vide par cryogénie, avant d’être analysé par spectrométrie de masse en phase gazeuse. Les rapports isotopiques 13C/12C et 18O/16O, exprimés respectivement sous forme δ13C et δ18O, sont déterminés par rapport à un gaz référence CO2 provenant d’un carbonate dont la signature isotopique est δ13C= 2,05‰ vs PDB, δ18O= -1,98 ‰ vs PDB. Le gaz CO2 référence est issu de l’attaque acide à 25°C du carbonate standard. Pour obtenir la composition isotopique δ18O de la calcite, on tient compte du coefficient de fractionnement α (CO2-CaCO3) à 50°C. α est calculé suivant la relation établie par Swart et al. (1991) :

α =1.003943+560/T2

(V -2)

Où T est la température en K.

150

α(calcite, 50°C) = 1.00931

(V -3)

Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous (Table. V-16) :

Echantillon Calcite (%)

Dolomite (%)

δδδδ13C ‰ vs PDB (± 0.2 ‰)

δδδδ18O ‰ vs PDB (± 0.2 ‰)

δδδδ18O ‰ vs SMOW (± 0.2 ‰)

Gr Bentonite 0.9 0.4 -9.9 -7.4 -23.2

Po Bentonite 2.2 0.8 -6.6 -4.5 +26.2

Table. V -16

Teneur en carbonates et composition isotopique des deux bentonites. Ces résultats sont comparés aux données de Landis et von Maubeuge (2004) dans la Fig. V-55. Selon le BRGM:

• l’échantillon Gr Bentonite est une bentonite sodique naturelle du Wyoming; • l’échantillon Po bentonite se rapproche d’une bentonite activée indienne.

Fig. V -55

Comparaison entre les échantillons analysés et les données de Landis et Von Maubeuge (2004).

-20

-15

-10

-5

0

5

-20 -15 -10 -5 0 5

Wyoming Activée Grecque Indienne activée

Cendre Wyoming Chinoise Activée Activée Austr. et Sud Af.

Grecque calcique Gr Bentonite Po Bentonite

δ 13 C

δ18O

151

3.2.1.7 Images par microscopie électronique à transmission

Les deux échantillons de bentonite ont été observés au microscope électronique à transmission haute résolution (METHR) par l'équipe du BRGM. Les échantillons ont été broyés grossièrement puis hydratés avec de l’eau déminéralisée à une teneur de 150% en masse d’eau. Les échantillons ont été conservés dans cet état d’hydratation pendant quatre jours, avant leur inclusion dans de la résine. Pour conserver la microstructure des particules argileuses lors de la préparation des échantillons, la méthode d’inclusion des argiles développée par Tessier (1984) est utilisée. Une petite quantité d’échantillon est déposée dans quelques gouttes d’Agar préalablement chauffé. Celui-ci gélifie rapidement à température ambiante et permet de maintenir la texture de l’argile. Par la suite, l’eau contenue dans l’échantillon est échangée progressivement avec du méthanol puis celui-ci est échangé avec de la résine LR White. La résine est ensuite mise à polymériser à 60°C pendant 24 heures. Des coupes (épaisseurs entre 70 et 100 nm) sont réalisées à l’aide d’un ultramicrotome (LKB) équipé d’un couteau de diamant. Elles sont alors déposées sur une grille en cuivre carbonée. Les Fig. V-56 etV-57 montrent les images METHR ainsi obtenues.

Fig. V -56

Image METHR de l’échantillon de bentonite en granulés (échelle : 100 nm).

Fig. V -57

Image METHR de l’échantillon de bentonite en poudre (échelle : 200 nm).

152

Les images des Fig. V-56 et V-57 montrent que l’échantillon de bentonite en granulés est constitué principalement de phase gel, avec peu de solide hydraté. L’échantillon de bentonite en poudre présente également une phase gel, mais avec un peu plus de solide hydraté.

3.2.2 Caractéristiques des GSB

3.2.2.1 Epaisseur

Pour chaque échantillon on mesure au moyen d'un microcomparateur la hauteur du GSB à sa teneur en eau de réception sous une pression de 12 kPa (Table. V-17). Les valeurs d'épaisseurs obtenues sont conformes à celles annoncées par les fabricants (6 mm pour le Po GSB et 6,4 mm pour le Gr GSB sous 20 kPa).

Echantillon de GSB Hauteur sous 12 kPa (mm) Po GSB 1 6.89

2 6.66 3 6.81 4 7.46

Gr GSB 1 6.68 2 6.91 3 6.9 4 6.81

Table. V -17

Epaisseur des deux GSB sous 12 kPa.

3.2.2.2 Masse surfacique

La masse surfacique sèche totale des deux GSB est déterminée (Table. V-18).Là aussi les résultats obtenus sont proches des valeurs données par les fabricants (5,33 g/m2 pour le Po GSB et 5 g/m2 pour le Gr GSB).

Echantillon de GSB Masse surfacique (g/m2) Po GSB 5.48 Gr GSB 4.95

Table. V -18

Masse surfacique des deux GSB.

3.2.2.3 Teneur en eau après hydratation

Afin d'avoir un aperçu du mode d'hydratation des deux GSB des essais sont effectués afin de suivre la teneur en eau des deux GSB lorsqu'ils sont hydratés sans contrainte. Pour cela, des échantillons des deux GSB sont découpés à l'aide d'un cutter. Les bords sont légèrement hydratés puis munis d'adhésifs latéraux afin qu'il n'y ait pas de perte de bentonite (Fig. V-58).

153

L'hydratation des échantillons se fait par immersion totale sans aucune contrainte (Fig. V-59) pendant des temps différents. Pour chaque temps on effectue ensuite une mesure de la teneur en eau de la bentonite comprise dans l'échantillon. La teneur en eau des GSB Po et Gr immergés est ensuite tracée en fonction du temps (Fig. V-60 et Fig. V-61).

Echantillons de Gr GSB.

Hydratation des échantillons sans contrainte.

Fig. V -58

Fig. V -59

154

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temps (min)

Ten

eur

en e

au (

%)

Fig. V -60

Teneur en eau du Po GSB en fonction du temps d'immersion.

60

70

80

90

100

110

120

0 10 20 30 40 50 60 70

Temps (min)

Ten

eur

en e

au (

%)

Fig. V -61

Teneur en eau du Gr GSB en fonction du temps d'immersion.

On constate que l’échantillon de GSB contenant des granulés met environ 45 minutes pour être hydraté à 110% alors que celui contenant de la bentonite en poudre met environ 12 heures pour être hydraté à 110%. Cette différence provient de la granulométrie de la bentonite. En effet, la bentonite en granulés présente un espace large entre les grains. Lorsque celle-ci est hydratée le gonflement des grains ne bloque donc pas la migration de l'eau au cœur du GSB. L'hydratation s'effectue donc de manière homogène dans tout le GSB et est de ce fait relativement rapide. En revanche, le faible espace entre les grains dans la bentonite en poudre ne permet pas à l'eau de migrer dans tout le GSB lors de son hydratation. Une toute première épaisseur du GSB va bloquer le flux d'eau; la migration de l'eau et le gonflement de l'ensemble du GSB vont ensuite se faire de manière très lente par hydratations successives de couches de faibles épaisseurs de bentonite.

155

4. Résultats expérimentaux

4.1. Eau récoltée dans les lysimètres

4.1.1 Percolats récoltés comparés aux précipitations Pour chaque configuration de couverture, les volumes de percolats récoltés à différentes dates dans les lysimètres sont comparés à la pluie nette mensuelle qui tombe sur le site. Etant donné que les lysimètres ont des surfaces légèrement différentes, on ramène les valeurs des volumes récoltés en L/m2 (Fig.V-62 et V-63). On constate premièrement que les volumes collectés sont en bonne corrélation avec la pluviométrie pour tous les mois de l'année sauf pendant les étés. En effet, les pluies ayant lieu pendant les mois de juillet, août et septembre ne traversent pas les différents GSB. Ceci peut s'expliquer en regardant de plus prés les valeurs d'EvapoTranspirations Potentielles (ETP) du sol de couverture. En effet, lors des mois d'été, l'ETP du sol de couverture est maximale; ces valeurs sont comprises entre 150 et 200 mm (données Météo France), alors qu'en période hivernale ces valeurs atteignent 50 à 70 mm seulement. La période de drainage du sol de couverture se déroule donc pendant ces mois d'été. Le sol s'appauvrit alors en eau jusqu'à atteindre une déficience en eau. Les pluies qui ont lieu durant la période d'été sont des orages de courte durée et de forte intensité. L'eau de pluie issue d'un orage va donc être stockée dans le sol dans une réserve appelée RFU (Réserve Facilement Utilisable). Compte tenu de la forte ETP, entre deux orages le sol de couverture se draine à nouveau et la RFU se vide jusqu'au prochain évènement pluvieux. Durant les mois de juillet, août et septembre, l'eau contenue dans cette réserve ne migrera donc pas vers les horizons sous-jacents. On remarque aussi que le lysimètre situé sous le Po GSB pré-hydraté n'a plus récolté d'eau après l'été 2007. L'arrêt du transfert de l'eau entre ce lysimètre et le réservoir de récolte ne semble pas dû à une inversion de pente au sein de la couverture car en surface la topographie de la couverture reste inchangée. Un bouchon de bentonite a éventuellement pu se former et venir colmater le tuyau d'évacuation de l'eau du lysimètre. Cette configuration n'ayant plus donné de résultats valables après le 5 septembre 2007, celle-ci ne sera donc étudiée que jusqu'à l'été 2007.

156

0

50

100

150

200

250

300

juin-

06

juil.-

06

sept

.-06

oct.-

06

janv.

-07

mar

s-07

juin-

07

sept

.-07

nov.-

07

janv.

-08

mar

s-08

juin-

08

Pré

cipi

tatio

ns (

L/m

2)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Per

cola

ts c

olle

ctés

(L/

m2)

Précipitations

Po GSB

0

50

100

150

200

250

300

juin-

06

juil.-

06

sept

.-06

oct.-

06

janv.

-07

mar

s-07

juin-

07

sept

.-07

nov.-

07

janv.

-08

mar

s-08

juin-

08

Pré

cipi

tatio

ns (

L/m

2)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Per

cola

ts c

olle

ctés

(L/

m2)

Précipitations

Po GSB Pré-hydraté

0

50

100

150

200

250

300

juin-

06

juil.-

06

sept

.-06

oct.-

06

janv.

-07

mar

s-07

juin-

07

sept

.-07

nov.-

07

janv.

-08

mar

s-08

juin-

08

Pré

cipi

tatio

ns (

L/m

2)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Per

cola

ts c

olle

ctés

(L/

m2)

Précipitations

Po GSB avec recouvrement

Fig. V -62

Percolats collectés en fonction du temps sous les configurations avec un GSB en poudre comparés aux précipitations.

157

0

50

100

150

200

250

300

juin-

06

juil.-

06

sept

.-06

oct.-

06

janv.

-07

mar

s-07

juin-

07

sept

.-07

nov.-

07

janv.

-08

mar

s-08

juin-

08

Pré

cipi

tatio

ns (

L/m

2)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Per

cola

ts c

olle

ctés

(L/

m2)

Précipitations

Gr GSB

0

50

100

150

200

250

300

juin-

06

juil.-

06

sept

.-06

oct.-

06

janv.

-07

mar

s-07

juin-

07

sept

.-07

nov.-

07

janv.

-08

mar

s-08

juin-

08

Pré

cipi

tatio

ns (

L/m

2)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Per

cola

ts c

olle

ctés

(L/

m2)

Précipitations

Gr GSB Pré-hydraté

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

juin-

06

juil.-

06

sept

.-06

oct.-

06

janv

.-07

mar

s-07

juin-

07

sept

.-07

nov.-

07

janv

.-08

mar

s-08

juin-

08

Pré

cipi

tatio

ns (

L/m

2)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Per

cola

ts c

olle

ctés

(L/

m2)

Précipitations

Gr GSB avec recouvrement

Fig. V -63

Percolats collectés en fonction du temps sous les configurations avec un GSB en granulés comparés aux précipitations.

158

On constate aussi une forte augmentation des volumes récoltés après l'automne 2007 pour toutes les configurations. En effet, alors que la première année les volumes d'eau récoltés pour chaque configuration ne dépassaient guère les 0,5 L/m2 pour des précipitations mensuelles allant jusqu'à plus de 150 L/m2, lors de la deuxième année, pour des précipitations mensuelles presque équivalentes, les volumes récoltés dans les lysimètres dépassent 1,5 L/m2 et ce volume atteint même plus de 4 L/m2 pour la configuration de couverture Gr GSB avec recouvrement. Nous verrons par la suite comment expliquer ce phénomène. Sur le graphe représentant l’eau récoltée cumulée dans les différents lysimètres (Fig.V-64), si l’on compare les volumes d’eau récoltés avec la pluviométrie, on constate tout d'abord que tous les GSB ont limité de façon considérable l’entrée de l’eau de pluie dans le massif de déchets. En effet, la fraction de l’eau de pluie ayant traversé le GSB varie entre 0,5% pour le plus faible (configuration Gr GSB pré-hydraté) et 0,7% pour le plus fort (configuration Gr GSB). De plus, la quantité d'eau maximale ayant traversé le GSB est égale à 12 L/m2 pour le Gr GSB. Or on verra lors des essais de performances effectués sur ces mêmes GSB au Chapitre VI que le volume des vides du Gr GSB est de 7,5 L. La quantité d'eau maximale ayant traversé le GSB est donc égale à 1,6 fois son volume des vides. Un peu plus de deux ans après la mise en place sur site du GSB, l'eau qui a hydraté le GSB et permis son gonflement a donc été totalement renouvelée. On constate sur le graphe que le volume d'eau récolté a atteint le volume des vides des GSB pour toutes les configurations aux environs des mois d'avril/mai 2008 soit 1 an et 10 mois après son installation.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

23/0

6/06

24/0

7/06

29/0

9/06

31/1

0/06

16/0

1/07

28/0

3/07

25/0

6/07

05/0

9/07

09/1

1/07

18/0

1/08

19/0

3/08

11/0

6/08

Per

cola

ts c

ollé

ecté

s cu

mul

és (

L/m

2)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Pré

cipi

tatio

ns c

umul

ées

(L/m

2)

Po GSB Pré-hydratéPo GSBPo GSB avec recouvrementGr GSB Pré-hydratéGr GSBGr GSB avec recouvrementPrécipitations

Fig. V -64

Cumul d'eau récolté dans les lysimètres comparé à la pluviométrie.

159

Sur le graphe représentant l’eau récoltée cumulée dans les différents lysimètres on constate aussi que le comportement hydraulique de la barrière a été modifié après l'automne 2007. En effet, les courbes présentent toutes deux pentes différentes (hormis la configuration Po GSB pré-hydraté). La pente des courbes entre juillet 2006 et juillet 2007 est faible et nous indique des très faibles volumes d'eau récoltés dans cette période alors que la pente des courbes entre novembre 2007 et juillet 2008 est beaucoup plus élevée. A partir de la moyenne des volumes de percolats récoltés pour toutes les configurations entre deux dates on peut faire une estimation de la perméabilité moyenne de la couverture (Table.V-19) en considérant plusieurs hypothèses:

• le GSB de par sa fonction étanchéité régit le comportement hydrique global de la couverture;

• le matériau est saturé pendant la période de calcul; • la loi de Darcy est applicable; • le gradient hydraulique est unitaire. Le GSB étant surmonté d'un géodrain, la charge

est considérée comme nulle sur le GSB.

Juin 2006-Juillet 2007 Novembre 2007-Juillet 2008

Kmoyen (m/s) 0.5×10-10 < K < 1.0×10-10 2.6×10-10 < K < 5.2×10-10

Table. V -19

Estimation de la perméabilité moyenne de la couverture.

Si l'on compare les deux valeurs de perméabilité obtenues, la perméabilité de la couverture après l'été 2007 a donc été multipliée par 5.

4.1.2 Comparaison des différentes configurations Sur les graphes représentant les percolats récoltés en cumulé en fonction du cumul des précipitations on observe des légères tendances sur les volumes recueillis par les lysimètres en fonction des différentes configurations du GSB qui les recouvre (Fig. V-65 et V-66). Ces tendances ont évolué juste après la période de sècheresse.

160

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 81 251

346

476

612

823

1007

1064

1269

1310

1625

Cumul de pluie nette (L/m2)

Per

cola

ts c

ollé

ecté

s cu

mul

és (

L/m

2) Po GSB

Po GSB Pré-hydraté

Po GSB avec recouvrement

Fig. V -65

Percolats récoltés cumulés sous le Po GSB en fonction du cumul de pluie nette.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 81 251

346

476

612

823

1007

1064

1269

1310

1625

Cumul de pluie nette (L/m2)

Per

cola

ts c

ollé

ecté

s cu

mul

és (

L/m

2) Gr GSB

Gr GSB Pré-hydraté

Gr GSB avec recouvrement

Fig. V -66

Percolats récoltés cumulés sous le Gr GSB en fonction du cumul de pluie nette. Tout d'abord le GSB en poudre est légèrement plus efficace que le GSB en granulés si on regarde les deux configurations où les GSB sont mis en place à teneur en eau de réception. En effet, celui-ci a laissé passer en deux ans prés de 9,5 L/m2 d'eau de pluie contre 12 L/m2 pour le Gr GSB. De plus, pour le Gr GSB on distingue bien les trois configurations de mise en place. En effet, le lysimètre situé sous le Gr GSB qui a été hydraté lors de sa pose a reçu des volumes inférieurs à ceux situés sous les GSB secs. Ceci confirme in situ les nombreux

161

résultats obtenus en laboratoire par des études précédentes (Didier et al. 1998, Lin et al. 2000) et qui ont abouti à la recommandation de l’hydratation des GSB lors de leur pose (CFG Fascicule 12). De même, les lysimètres situés sous les recouvrements présentent des volumes d’eau légèrement plus faibles. En effet, les recouvrements sont traités lors de la pose du GSB et l’eau de pluie doit ainsi traverser deux épaisseurs de GSB au lieu d’une sur toute la largeur du recouvrement, ce qui limite les infiltrations. A partir de la valeur de K estimée pour chaque GSB entre juin 2006 et juillet 2007 puis entre novembre 2007 et juillet 2008 on peut calculer quels doivent être les volumes infiltrés sous le GSB si l'on a un recouvrement de 30 cm (Table.V-20). On compare ensuite ces volumes estimés avec les volumes de percolats réellement récoltés dans les lysimètres. Pour le Po GSB les volumes infiltrés sont légèrement supérieurs aux volumes estimés. Pour le Gr GSB entre juin 2006 et juillet 2007 les volumes infiltrés sont inférieurs aux volumes réellement récoltés puis entre novembre 2007 et juillet 2008 cette tendance s'inverse: les volumes infiltrés deviennent légèrement supérieurs aux volumes estimés. Cette analyse montre que le traitement des recouvrements ne permet pas l'obtention d'une étanchéité parfaite entre deux lés de GSB. L'ajout de poudre notamment ne garantie pas sur le long terme la jonction entre les lés. Malgré tout, le traitement du recouvrement permet d'obtenir des infiltrations d'eau au travers du GSB égales ou légèrement inférieures à celles observées au travers d'un GSB sans recouvrement.

Juin 2006-Juillet 2007 Novembre 2007-Juillet 2008 KPo GSB (m/s)

0.7×10-10

4.2×10-10

Volume de percolat estimé pour Po GSB

avec recouvrement (L/m2)

2.4

5.8

Volume de percolat récolté pour Po GSB avec recouvrement (L/m2) 2.6 6.4

KGr GSB (m/s)

1.0×10-10

5.2×10-10

Volume de percolat estimé pour Gr GSB avec recouvrement (L/m2)

3.6

7.2

Volume de percolat récolté pour Gr GSB

avec recouvrement (L/m2) 2.0 7.9

Table. V -20

Comparaison entre les volumes estimés et les volumes de percolats réellement récoltés dans les lysimètres situés sous un recouvrement de GSB.

4.1.3 Evolution des flux et explication des phénomènes

L'été 2007 fut un été très chaud (voir la section 4.3 Températures de ce même Chapitre) et a été suivi d'une période de sècheresse pendant l'automne. En effet, la Fig. V-67 représentant la pluviométrie entre le 31/08/07 et le 24/11/07, montre que le cumul de pluie pour cette période est très faible (environ 20 mm). Cette sècheresse a pu entraîner un début de dessiccation du GSB (mais pas une dessiccation majeure) et donc un début d'endommagement de la barrière.

162

L'eau de pluie traverse donc le GSB non plus par sa porosité mais par des microfissures ce qui explique l'augmentation des flux d'eau pendant l'hiver 07/08 et le printemps 08.

0

10

20

30

40

50

60

avr.

-07

avr.

-07

avr.

-07

mai

-07

mai

-07

juin

-07

juin

-07

juil.

-07

juil.

-07

juil.

-07

août

-07

août

-07

sept

.-07

sept

.-07

sept

.-07

oct.-

07

oct.-

07

nov.

-07

nov.

-07

Pré

cipi

tatio

ns (

mm

)

0

5

10

15

20

25

30

Tem

péra

ture

du

GS

B (

°C)

Précipitations

T° GSB

Fig. V -67

Températures au niveau du GSB et précipitations pendant le printemps, l'été et l'automne 2007.

La Table. V-21 représente les volumes d'eau récoltés pendant les deux premières années suivant les configurations comparés à d'autres études issues de la bibliographie. Les volumes d'eau récoltés au cours de notre étude sont comparables aux volumes observés par Poignard et al. (1999), Benson et al. (2007) et Wagner et al. (2002) pour des casiers d'ISD avec des faibles pentes (de 3% à 8%). De plus, pour nos valeurs, on constate bien une augmentation des volumes récoltés lors du deuxième hiver. Wagner et al. (2002) et Melchior (2002), ont aussi observé un changement dans les volumes d'eau collectés la deuxième année après la mise en place de la couverture. Deux raisons sont généralement avancées pour expliquer cette augmentation des quantités d'eau récoltées au travers de la barrière:

• l'échange cationique au sein des matériaux de couverture (Wagner 2002; Melchior 2005);

• la dessiccation des sols et du GSB qui génère des fissures dans la barrière et engendre des chemins préférentiels pour l'eau entraînant de ce fait une augmentation du coefficient de perméabilité (Khire 1997; Albright 2006).

163

Percolats collectés

Mm mm %

précipitations %précipitations

Etude Configuration du GSB Première

année Deuxième

année Première

année Deuxième

année

Cette étude Po Na- bentonite aiguilleté pente 5% 2.65 4.86 0.4 0.6

Po Na- bentonite aiguilleté pente 5% pré-hydraté 2.68 1.42 0.4 0.2

Po Na- bentonite aiguilleté pente 5% avec recouvrement 1.47 5.65 0.2 0.7

Gr Na- bentonite aiguilleté pente 5% 3.77 6.52 0.6 0.9

Gr Na- bentonite aiguilleté pente 5% pré-hydraté 1.86 5.28 0.3 0.7

Gr Na- bentonite aiguilleté pente 5% avec recouvrement 1.74 7.09 0.3 0.9 Poignard et al.

(1999) Gr Na-bentonite aiguilleté pente 3% 0.9

Gr Na-bentonite aiguilleté non drainé pente 3% 2.4

Gr Na-bentonite cousu pente 3% 0.7

Gr Na-bentonite aiguilleté non drainé pente 10% 7.6

Gr Na-bentonite cousu pente 10% 2.5

Gr Na-bentonite cousu non drainé pente 10% 8.8

Melchior (2002) Gr Na-bentonite aiguilleté pente 8% 0 56 0 12

Ca-activée bentonite cousu pente 8% 6 101 1 21 Benson et al.

(2007) Gr Na-bentonite <4.1 Henken-Mellies

et al. (2002) Ca-bentonite pente 20% <15 <0.5 Wagner et al.

(2002) Po bentonite aiguilleté 1.4 6.2

Table. V -21

Eaux récoltées pendant les deux premières années pour différentes études.

4.1.4 Etude du temps de réponse de la couverture

Les capteurs de pression situés dans les réservoirs permettent un suivi en temps réel de l'infiltration de l'eau de pluie sous le GSB. La Fig. V-68 présente la réponse de la couverture à un évènement pluvieux ponctuel qui a eu lieu au printemps 2008. A partir de cette courbe on peut estimer la perméabilité effective des différentes configurations de couverture (toujours en considérant un gradient hydraulique égal à 1) (Table. V-22). On constate que les valeurs de perméabilité trouvées sont en accord avec les estimations effectuées pour des périodes de temps plus longues (Table. V-19).

Printemps 2008

Ke (m/s) 2.0×10-10 < K < 5.2×10-10

Table. V -22

Estimation de la perméabilité effective de la couverture à partir de son temps de réponse.

164

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Temps (min)

Vol

umes

col

lect

és (

L/m

2) Pluie Cumulée (×10^2)Po GSB Gr GSBPo GSB avec recouvrementGr GSB avec recouvrement

Fig. V -68

Réponse de la couverture à un évènement pluvieux ponctuel (printemps 2008). Les volumes collectés sont donnés en cumulés.

La porosité effective de la couverture εe peut aussi être estimée à partir de son temps de réponse à un évènement pluvieux après une période de sècheresse en utilisant l'équation (V-4) (Albright et al. 2006).

ee

c

K i

L tε =

(V -4)

Où Ke est la perméabilité effective estimée à partir des flux récoltés en fonction du temps;

i est le gradient hydraulique (i=1); Lc est l'épaisseur de la couverture; t est le temps entre le début de l'évènement pluvieux ponctuel et le taux maximal d'eau récoltée sous le GSB.

Sur la Fig. V-68 on constate que le taux maximal d'eau récoltée sous le GSB a lieu entre 800 minutes et 1500 minutes après le début des précipitations (pente maximale des courbes). On trouve donc une porosité effective égale à:

0.002 0.010eε≤ ≤

Après une période de sècheresse, la porosité effective représente les fissures et macropores qui se sont créées et qui sont responsables de l'augmentation des volumes d'eau collectés sous la barrière. La gamme de porosité trouvée est très faible par rapport à la porosité totale de l'argile (0,37) et nous indique que les fissures créées lors de la sècheresse ne représentent qu'une portion très faible de la porosité totale du GSB. Ces données montrent donc que même si l'eau de pluie traverse le GSB par des microfissures engendrant une augmentation des flux d'eau pendant l'hiver 07/08 et le printemps 08, celles-ci ne représentent qu'une portion très

165

faible de la porosité totale du GSB. L'augmentation des flux d'eau pendant l'hiver 07/08 et le printemps 08 est donc très limitée et la barrière conserve globalement son efficacité.

4.2. Analyse cationique 4.2.1 Concentration en sodium des percolats récoltés

Le sodium étant le cation qui confère à la bentonite ses propriétés de gonflement, nous représentons la quantité de sodium retrouvée dans les volumes d'eau recueillis dans les lysimètres (Fig. V-69 et V-70).

0

200

400

600

800

1000

1200

juil.-06 oct.-06 janv.-07 avr.-07 août-07 nov.-07 févr.-08 juin-08

Con

cent

ratio

n en

Na

(mg/

m2) Po GSB

Gr GSBPo GSB Pré-hydratéGr GSB Pré-hydratéPo GSB avec recouvrementGr GSB avec recouvrementEau de pluie

Fig. V -69

Concentration en Na en fonction du temps pour les deux GSB.

166

0

200

400

600

800

1000

1200

0.03

10.

0470.

0890.

1190.

1940.

2580.

2600.

2790.

3250.

3650.

4530.

5240.

5690.

6540.

7260.

8601.

0701.

564

Volume des pores

Con

cent

ratio

n en

Na

(mg/

L)0.

220.

340.

640.

861.

401.

851.

872.

012.

342.

633.

263.

784.

104.

715.

236.

197.

7011

.26

Volumes collectés (L/m2)

Po GSBGr GSBPo GSB Pré-hydratéGr GSB PréhydratéPo GSB avec recouvrementGr GSB avec recouvrement

Fig. V -70

Concentration en Na en fonction du volume collecté et du volume de pore pour les deux GSB.

Les courbes représentant la concentration en Na en fonction du temps et du volume des pores présentent des pentes régulières pour toutes les configurations hormis celle du Po GSB hydraté. En effet, l'eau issue du lysimètre situé sous le Po GSB hydraté contient entre 2,5 et 5 fois plus d'ions Na que l'eau provenant des autres lysimètres. Ceci confirme la formation d'un bouchon de bentonite qui serait venu obstruer le tuyau reliant le lysimètre au réservoir. L'eau de pluie et les sols de couverture n'apportant que très peu de Na, le sodium contenu dans les eaux de percolation provient majoritairement des GSB et les courbes Fig. V-69 et V-70 représentent donc l'échange cationique qui se déroule au sein des GSB. On compare alors la valeur obtenue à la quantité de cations Na contenus dans le GSB initialement afin d'évaluer l'état d'avancement de cet échange cationique en temps réel. En effet, l'analyse des cations contenus dans les GSB utilisés (Chapitre V Section 3.2) nous donne une quantité de Na totale égale à 17,0 g/kg pour les GSB en poudre et 12,6 g/kg pour le GSB en granulés, c'est-à-dire 93,2 g de Na/m2 pour le GSB en poudre qui a une masse surfacique de 5,48 kg/m2 et 62,4 g de Na/m2 pour le GSB en granulés qui a une masse surfacique de 4,95 kg/m2. Lorsque l'on regarde les courbes précédentes (Fig. V-69 et V-70) on trouve une quantité de Na lessivé égale à 0,5 g de Na/m2 au maximum pour le Po GSB, valeur largement inférieure (plus de 180 fois) à la quantité de Na initialement existante dans les Po GSB.

167

De la même manière, on constate que la quantité de Na lessivé est égale à 0,25 g de Na/m2 au maximum pour le Gr GSB. Cette valeur est également largement inférieure (environ 250 fois moins) à la quantité de Na initialement existante dans les Gr GSB. D'autre part, un essai de lixiviation de la bentonite en granulés suivant la norme NF EN 124572 avec un rapport Liquide sur Solide de 25, avec agitation rotative durant 24 h, donne une quantité de Na de l’ordre de 4 g/kg de bentonite soit 19,8 g de Na/m2 pour un GSB ayant une masse surfacique de 4,95 kg/m2 (Guyonnet et al. 2008). La quantité de Na récoltée dans nos eaux de percolation est donc aussi inférieure (plus de 70 fois) à la quantité de Na lessivable dans l'essai de lixiviation de la Gr bentonite.

4.2.2 Concentration en Calcium des percolats récoltés

Globalement, les pentes des courbes représentant la concentration en Ca en fonction du temps et du volume des pores (Fig. V-71 et V-72) augmentent après l'été 2007 correspondant à 0,3 volumes des pores.

0

25

50

75

100

125

150

juil.-06 oct.-06 janv.-07 avr.-07 août-07 nov.-07 févr.-08 juin-08

Con

cent

ratio

n en

Ca

(mg/

m2)

Po GSBGr GSBPo GSB Pré-hydratéGr GSB Pré-hydratéPo GSB avec recouvrementGr GSB avec recouvrementEau de pluie

Fig. V -71

Concentration en Ca en fonction du temps pour les deux GSB.

168

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.03

10.

0470.

089

0.11

90.

1940.

2580.

260

0.27

90.

3250.

3650.

4530.

524

0.56

90.

6540.

7260.

860

1.07

01.

564

Volume des pores

Con

cent

ratio

n en

Ca

(mg/

L)0.

220.

340.

640.

861.

401.

851.

872.

012.

342.

633.

263.

784.

104.

715.

236.

197.

7011

.26

Volumes collectés (L/m2)

Po GSBGr GSBPo GSB Pré-hydratéGr GSB PréhydratéPo GSB avec recouvrementGr GSB avec recouvrement

Fig. V -72

Concentration en Ca en fonction du volume collecté et du volume de pore pour les deux GSB.

4.2.3 Evolution de l'échange cationique L'échange cationique au sein du GSB n'a donc pas été entièrement effectué. Ce n’est que le début du phénomène car les GSB contiennent encore une grande quantité d'ions Na. Les changements de pentes observés dans les courbes de concentration sont elles aussi une conséquence du phénomène de dessiccation de la barrière observé durant l'automne 2007. En effet, après cette période sèche, les épisodes pluvieux plus rapprochés de l'hiver 2007/2008 et du printemps 2008 ont lessivé les sols de couverture par les fissures de dessiccation et entraîné les ions Ca naturellement présents dans les sols de couverture au travers du GSB par des microfissures. Sur les graphes, cet apport en ions Ca vient donc masquer le phénomène d'échange cationique observable jusque-là.

4.3. Températures Six thermocouples permettent de suivre l’évolution de la température à différentes profondeurs de la couverture. En effet, les matériaux de couverture sont sensibles aux variations climatiques. Des cycles de gel/dégel ou encore de dessiccation/humidification peuvent modifier la structure des matériaux constitutifs du complexe multicouche en place et donc sa perméabilité. On constate un amortissement des variations de la température en fonction de la profondeur du capteur (Fig. V-73). Au niveau du GSB la température varie entre 5°C et 12°C au cœur de la période hivernale lorsque la température est négative en surface (jusqu'à -2°C pour les deux années d'étude) (Fig. V-74). Le GSB est donc protégé du gel lors des hivers peu vigoureux.

169

En revanche, entre les mois d'avril 2007 et septembre 2007 la température au niveau du GSB est restée supérieure à 20°C (Fig. V-67), ce qui va dans le sens de l'hypothèse émise précédemment d'une probable dessiccation du GSB lors de cette période.

-10

0

10

20

30

40

50

60

Mar-06 Jun-06 Sep-06 Dec-06 Mar-07 Jun-07 Sep-07 Dec-07 Mar-08 Jun-08

T (

°C)

T° min prof0 cm

T° max prof0 cm

T° min prof30 cmT° max prof30 cm

T° min prof46 cm

T° max prof46 cm

T° min prof88 cmT° max prof88 cm

Fig. V -73

Températures moyennes mensuelles au cours des deux années d'étude. Les températures aux profondeurs 0, 30, 46 et 88 cm correspondent respectivement à la température extérieure, dans la terre végétale, à la limite entre la terre végétale et le tout venant et dans le tout venant

en contact avec le GSB.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

01-déc.-07 11-déc.-07 21-déc.-07 31-déc.-07 10-janv.-08 20-janv.-08 30-janv.-08

Pré

cipi

tatio

ns (

mm

)

0

5

10

15

20

Tem

péra

ture

du

GS

B (

°C)

Précipitations

T° GSB

Fig. V -74

Zoom sur les températures au niveau du GSB et les précipitations pendant les mois de décembre 2007 et janvier 2008.

170

4.4. Humidité du sol

4.4.1 Etalonnage des blocs de gypse en laboratoire Les blocs de gypse nécessitent une calibration individuelle avec chaque type de sol afin d'obtenir une mesure précise. Pour cela, un étalonnage a été effectué en laboratoire: plusieurs blocs ont été placés dans des échantillons des deux types de sol prélevés in situ mis à différentes teneur en eau (Fig. V-75 et V-76). On a ainsi pu obtenir les courbes reliant la teneur en eau des sols avec la tension aux bornes des blocs de gypse.

y = 803432x-2.5348

R2 = 0.7801

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28W (%)

Ten

sion

(m

V)

Fig. V -75

Courbe d'étalonnage des blocs de gypse placés dans la terre végétale.

y = 821.48x-0.5175

R2 = 0.8981

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26W (%)

Ten

sion

(m

V)

Fig. V -76

Courbe d'étalonnage des blocs de gypse placés dans le tout venant.

171

4.4.2 Humidité du sol in situ Les données acquises n'évoluent plus au cours du temps quelques mois seulement après leur mise en place in situ dans la couverture. De plus, malgré l'étalonnage, les données acquises lors des premiers mois ne présentent aucune relation avec les variations climatiques. En conséquence, les signaux envoyés à la centrale n'ayant aucun sens physique, les résultats n'ont pas été interprétés plus avant. Ces instruments ont théoriquement une durée de vie de une à deux années lorsqu'ils ne sont pas situés dans une zone de circulation d'eau. Pourtant après seulement quelques semaines passées dans les échantillons des sols de couverture lors de l'étalonnage, le gypse était déjà dissous par endroits (Fig. V-77).

Fig. V -77

Dissolution d’un bloc de gypse.

4.5. Essais dans les chambres à flux Avant d'effectuer des essais dans les chambres à flux afin de déterminer la perméabilité au gaz des GSB, des essais de perméabilité à l'eau sont nécessaires afin de tester la fiabilité des étanchéités effectuées. Pour cela, deux campagnes d'essais ont été réalisées en juillet 2007 et en mars 2008. Ces essais consistent à saturer les différentes poches avec de l'eau puis au moyen d'une bouteille de Mariotte à mesurer le volume entrant dans chaque poche au cours du temps pour une charge fixée (Fig. V-78).

172

Fig. V -78

Essai de perméabilité à l'eau.

Les résultats des essais sont présentés ci-dessous dans la Table. V-21. Seule la perméabilité de la chambre à flux 1 située sur le GSB a pu être calculée. En effet, une remontée d'eau dans le tuyau est apparue pour la chambre à flux 2 située sur le GSB (Fig. V-79). Cette remontée d'eau est due à une fuite au niveau du raccord entre la membrane en PVC et le tube rilsan. Le volume mesuré est donc fonction du débit de cette fuite. Quant aux deux poches situées sous le GSB, leur saturation s'est avérée impossible (remontées de bulles d'air incessantes). Il y a donc des fuites au travers des étanchéités latérales des poches rendant les essais de perméabilité impossibles.

Fig. V -79

Fuite pendant l'essai.

173

K (m/s)

Date 07/07/2007 27/03/2008 Chambre à flux 1

sur le GSB 1.37×10-10 5.35×10-10 Chambre à flux 2

sur le GSB Fuite par remontée d'eau dans le

tuyau Fuite par remontée d'eau dans le

tuyau Chambre à flux 1

sous le GSB Saturation impossible: fuites par

l'étanchéité / Chambre à flux 2

sous le GSB Saturation impossible: fuites par

l'étanchéité /

Table. V -23

Résultats des deux campagnes d'essais de perméabilité à l'eau des chambres à flux.

Les étanchéités latérales des chambres à flux n'étant pas assurées, les essais de détermination du coefficient de perméabilité au gaz du GSB prévus au départ de l'étude n'ont donc pas été réalisés.

4.6. Tassements Deux ans après la mise en place de la couverture, les tassements sont très faibles sur le casier. Ceux-ci ne sont que de quelques centimètres et ne concernent pas la zone d'expérimentation. Aucune inversion de pente n'est donc à envisager au niveau des lysimètres. D'autre part, les piézomètres n'indiquent aucune mise en charge du GSB lors d'évènements pluvieux. Le drainage de l'eau de pluie au dessus du GSB s'effectue donc de manière correcte. Ceci confirme l'hypothèse faite précédemment d'un gradient hydraulique appliqué sur le GSB.

5. Conclusion

L'instrumentation réalisée sur l'ISD de Chatuzange-le-Goubet a permis de suivre et de comparer, dans les conditions réelles de site, six configurations différentes de couvertures munies de GSB. La comparaison entre la pluie brute et les volumes d'eau récoltés sous le GSB ont permis de voir qu'après deux ans d'étude tous les GSB ont limité de façon considérable l’entrée de l’eau de pluie dans le massif de déchets. En effet, la fraction de l’eau de pluie ayant traversé le GSB varie entre 0,5% et 0,7%. De plus, on a constaté une forte augmentation des volumes récoltés après l'automne 2007 pour toutes les configurations (hormis le Po GSB pré-hydraté). En effet, alors que la première année les volumes d'eau récoltés pour chaque configuration ne dépassait guère les 0,5 L/m2 pour des précipitations mensuelles allant jusqu'à plus de 150 L/m2, lors de la deuxième année, pour des précipitations mensuelles presque équivalentes, les volumes récoltés dans les

174

lysimètres dépassent 1,5 L/m2 et ce volume atteint même plus de 4 L/m2 dans une configuration de la couverture. Cette augmentation de perméabilité trouve sa source dans l'été 2007 qui fut un été très chaud et qui a été suivi d'une période de sècheresse pendant l'automne. En effet, le cumul de pluie pour cette période est très faible (environ 20 mm). Cette sècheresse a pu entraîner un début de dessiccation du GSB et donc un début d'endommagement de la barrière. L'eau de pluie traverse donc le GSB non plus par sa porosité mais par des microfissures ce qui explique l'augmentation des flux d'eau pendant l'hiver 07/08 et le printemps 08. Cette hypothèse est validée par l'analyse de l'échange cationique au sein du GSB. En effet, après deux ans d'étude, celui-ci n'a donc pas encore été entièrement effectué et l'on est même seulement au début du phénomène car les GSB contiennent encore une grande quantité d'ions Na. Les changements de pentes observées dans les courbes de concentration sont elles aussi une conséquence du phénomène de dessiccation de la barrière observé durant l'automne 2007. En effet, après cette période sèche, les épisodes pluvieux plus rapprochés de l'hiver 2007/2008 et du printemps 2008 ont lessivé les sols de couverture par les fissures de dessiccation et entraîné les ions Ca naturellement présents dans les sols de couverture au travers du GSB par des microfissures. Sur les graphes, cet apport en ions Ca vient donc masquer le phénomène d'échange cationique observable jusque-là. Ce résultat est significatif; en effet, Egloffstein (2001, 2002) recommande une épaisseur de protection au-dessus du GSB de 70 cm, comme c’est le cas pour la couverture de ce casier, afin d'éviter normalement les effets néfastes liés au gel ou à la dessiccation. L’observation d’une influence de la dessiccation après 1,5 an de mise en œuvre des GSB va à contre sens de cette recommandation. D'autre part, Benson et al. (2007), Albright et al. (2006) et Melchior (2002) ont aussi constaté une dessiccation du GSB pour des épaisseurs de couverture supérieures ou égales à 0,7 m (respectivement 0,76 m, 0,75 m et 1m). Les résultats obtenus dans notre étude ainsi que dans celles menées par Benson et al. (2007), Albright et al. (2006) et Melchior (2002) pourraient donner lieu à des nouvelles recommandations relatives à une augmentation de l'épaisseur de la couche de protection au-dessus du GSB. L'étude en laboratoire des matériaux constituant la couverture a permis d'une part de connaître les caractéristiques des GSB dans leur état initial. Ces données sont importantes et permettent d'effectuer un suivi de l'évolution des GSB sur le site et en laboratoire dans les essais de performance. D'autre part cette étude a permis de faire une première évaluation de la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture. En effet, un percolat synthétique a été créé et analysé grâce aux essais dans les PPR. Ce percolat a ensuite été utilisé dans les essais de gonflement. Ceux-ci ont montré que l'eau ayant percolé au travers du sol de couverture n'a pas d'influence négative sur le gonflement de la bentonite. Ces mêmes percolats seront ensuite utilisés lors des essais de performance des GSB au chapitre suivant.

175

Chapitre VI :

Etude en laboratoire du transfert hydrique

dans les géosynthétiques bentonitiques

176

177

1. Introduction

Ce chapitre présente les essais de caractérisations ainsi que les essais de performances menés sur les GSB. Ces essais sont effectués dans des oedoperméamètres qui permettent de suivre les cinétiques de gonflement et d'absorption de liquide des GSB sous une contrainte normale donnée. Dans un premier temps les conductivités hydrauliques des deux échantillons dans leur état initial sont déterminées en régimes permanent et variable. Puis, afin de constituer une méthodologie pour évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture, les deux types de GSB testés ont été mis en contact dans les oedoperméamètres avec les différents percolats synthétiques près avoir été partiellement saturés ou à l'état sec. Leurs conductivités hydrauliques ont ensuite été déterminées.

2. Description de l'oedoperméamètre

2.1. Appareillage

Les essais sur les GSB sont réalisés selon la norme XP P 84-705 dans un oedoperméamètre de diamètre 250 mm. La cellule est constituée de deux parties, l’embase et le piston en PEHD, équipés d’une pierre poreuse de 200 mm de diamètre et possédant chacune un orifice servant d'entrée ou de sortie pour les fluides de percolation (liquide ou gaz suivant l'essai) (Fig. VI-1, Fig. VI-2). Les deux parties sont solidarisées par quatre vis de fixation (Fig. VI-3).

Fig. VI -1

Embase de la cellule munie de la pierre poreuse.

L’étanchéité au niveau du piston est assurée par un joint torique. L'échantillon de GSB est placé entre deux éléments drainants (pierres poreuses).

178

Fig. VI -2

Piston de l'oedoperméamètre.

1 23

4

5

6

7 8

9

10

11

12

8CPV

1 23

4

5

6

7 8

9

10

11

12

8CPVCPV

Fig. VI -3

Schéma de l'oedoperméamètre

Légende

1 Mesure du déplacement vertical 7 Vanne d’entrée du liquide

2 Dispositif de chargement vertical: petit piston 8 Vanne de purge

3 Piston 9 Vanne de sortie des percolats

4 Embase inférieure 10 Réservoir de collecte du volume sortant

5 Disques drainants 11 Joint d’étanchéité

6 Contrôleur pression-volume 12 Echantillon de GSB

179

L'entrée du fluide s'effectue par le bas de la cellule (embase) et la récupération des percolats par le haut de la cellule (piston). Pour les essais avec les liquides, l’alimentation en solution de l’échantillon se fait par un réservoir de type bouteille de Mariotte qui permet de maintenir une charge hydraulique constante et de mesurer le volume entrant (Fig. VI-4). Une contrainte de confinement est appliquée par l’application d'une pression d'air régulée dans la chambre de 17 cm de diamètre située sous le petit piston. La mesure de la déformation verticale de l’échantillon se fait par l’intermédiaire d’un capteur de déplacement fixé à l’embase et reposant sur le piston.

Fig. VI -4

Oedoperméamètre en cours d'essai.

2.2. Etalonnage de la bouteille de Mariotte

La lecture du tube de Mariotte ne donne pas la valeur exacte du volume infiltré. En effet, le tube de verre central occupe un volume non négligeable. Il faut donc étalonner le tube. Pour étalonner le tube de Mariotte, le volume lu Vlu d’après les graduations du tube de Mariotte est relevé. Puis le volume réellement infiltré Vréel est calculé d’après la masse du volume écoulé. On obtient la relation de proportionnalité suivante :

0.9597réel luV V=

(VI -1)

Entrée du fluide de percolation

Tube de Mariotte

Contrainte de confinement: pression d'air sous le petit

piston

180

2.3. Contrainte de confinement

Une contrainte normale de 12 kPa correspondant à celle présente in situ sur le GSB est appliquée durant toute la durée de l'essai. Cette contrainte varie à chaque fois que l’on change de charge hydraulique. En effet la charge hydraulique en bas de la cellule provoque une sous pression supplémentaire qui provoque une diminution de la contrainte normale. L’égalité suivante permet de connaître la pression à appliquer sur le piston en fonction de la charge appliquée sur le GSB afin que la contrainte de confinement sur l'échantillon soit toujours égale à 12 kPa:

GSB GSB PistonP A P S× = ×

(VI -2)

Où PGSB est la sous pression exercée sur le GSB par l'application d'une charge hydraulique;

AGSB est la surface de l'échantillon de GSB (diamètre égal à 25 cm); PPiston est la pression exercée sur le piston par l’application d'une pression d'air; S est la surface de la chambre située sous le petit piston (diamètre égal à 17 cm).

Lorsque la charge hydraulique est non nulle, il faut donc appliquer une pression plus importante dans la chambre située sous le petit piston pour obtenir une contrainte sur l’échantillon de 12 kPa (Table. VI-1).

Pour une contrainte de confinement du GSB égale à 12 kPa

Charge hydraulique appliquée sur l'échantillon (mm) 0 300 600 1000

Pression appliquée dans la chambre située sous le petit piston (kPa) 26 32.4 38.9 45.4

Table. VI -1

Pression de l’air dans la chambre située sous le petit piston en fonction de la charge hydraulique imposée à l’échantillon de GSB.

3. Perméabilité à l'eau en régime permanent

3.1. Préparation et mise en place des éprouvettes

Les échantillons sont extraits des rouleaux de GSB bien conservés et non endommagés par le transport. Des disques de 25 mm de diamètre sont découpés à l'aide d'un cutter en évitant les bords des rouleaux. Lors de cette découpe les bords de la fente sont légèrement humidifiés à l'aide d'une pipette afin de solidariser les grains de bentonite et éviter ainsi une perte de bentonite à ce niveau (Fig. VI-5).

181

De la pâte de bentonite est ensuite déposée dans l'embase vide dans l'espace situé autour de la pierre poreuse (Fig. VI-6). L'éprouvette est ensuite placée en fond de l'embase sur la pierre poreuse. De la pâte de bentonite est ensuite placée sur les bords de l'éprouvette de GSB (Fig. VI-7). Finalement le piston est placé sur l'éprouvette de GSB (Fig. VI-8).

Fig. VI -5

Humidification des bords du GSB pendant la découpe.

Fig. VI -6

Pâte de bentonite située sur l'espace latéral.

Fig. VI -7

Pâte de bentonite placée sur les bords de l'éprouvette après sa mise en place dans l'embase.

182

Fig. VI -8

Mise en place du piston sur l'échantillon.

3.2. Mode opératoire

La perméabilité d'un géosynthétique bentonitique soumis à une contrainte de confinement selon la norme XP P 84-705 doit être déterminée après saturation de la bentonite. Avant de réaliser l'essai de perméabilité, une première phase de saturation de l'éprouvette est donc nécessaire. Pour cela, la bouteille de Mariotte est remplie avec le liquide d'essai puis positionnée de telle sorte que la charge hydraulique soit nulle. Le contrôle de la saturation est indirectement apprécié par la mesure du gonflement et de la quantité de liquide absorbée. En effet, on mesure au cours du temps t le volume absorbé V et la déformation verticale de l'éprouvette ∆e. Ces cinétiques sont généralement lentes, la phase de saturation sera considérée comme achevée lorsque le gonflement sera supérieur à 90% du gonflement obtenu pour un temps infini. Une fois l'éprouvette saturée, la charge hydraulique peut être augmentée jusqu'à la valeur désirée. Pour chaque charge hydraulique, les flux entrant et sortant sont mesurés au cours du temps jusqu'à leur stabilisation. Les deux premiers essais présentés ci-dessous sont les essais de caractérisation initiale des GSB; le liquide d'essai utilisé est une solution de NaCl à 0,005 mol/L.

3.3. Cinétique de gonflement

La cinétique de gonflement obéit à une loi hyperbolique pour des temps d'essais suffisamment longs:

183

x

te e

t t∞∆ = ∆+

(VI -3)

Où ∆e est le gonflement de l'éprouvette en mm;

t est le temps en jours; ∆e∞ est le gonflement vertical pour un temps infini en mm; tx est le temps correspondant à x % du gonflement pour un temps infini.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

0 10 20 30 40 50 60Temps (jours)

Gon

flem

ent d

e l'é

chan

tillo

n (m

m)

Po GSB

Gr GSB

Fig. VI -9

Cinétique de gonflement des deux éprouvettes de GSB dans les oedoperméamètres. Les flèches représentent les changements de charges hydrauliques appliquées sur les

éprouvettes.

On constate que le Gr GSB gonfle plus lentement que le Po GSB. Lors de l'hydratation du GSB, les espaces vides dans la bentonite sont d'abord comblés puis l'éprouvette gagne en volume. Les vides entre les granulés de bentonite sont plus larges que ceux entre les grains du Po GSB, ce qui explique ce retard dans le gonflement de l'éprouvette de Gr GSB. Le gonflement se stabilise entre 20 et 30 jours pour les deux éprouvettes.

L’essai de perméabilité commence lorsque la phase de saturation-gonflement est considérée comme achevée, c'est-à-dire quand ∆e > 0,9 ∆e∞. Le critère d’arrêt de cette phase est déterminé graphiquement (Fig. VI-9). En effet, la valeur ∆e∞ est déterminée à partir de l'équation de la droite (Fig. VI-10):

1 xttt

e e e∞ ∞

= +∆ ∆ ∆

(VI -4)

h = 100 mm h = 300 mm

h = 100 mm h = 300 mm

h = 1000 mm

h = 1000 mm

184

La représentation du gonflement dans le système de coordonnées (t, t/∆e) est une droite de pente égale à (1/∆e∞).

Po GSB:Corrélation linéaire des points

y = 0.4701x + 0.1356R2 = 0.9999

Gr GSB:Corrélation linéaire des points

y = 0.4277x + 1.5108R2 = 0.9984

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Temps (jours)

Tem

ps/d

elta

e (

jour

s/m

m)

Po GSB

Gr GSB

Linéaire (Po GSB)

Linéaire (Gr GSB)

Fig. VI -10

Représentation de la loi hyperbolique pour le gonflement.

Eprouvette de GSB ∆e∞ (mm) 90% du ∆e∞ (mm) Durée de la saturation pour

atteindre 90% du ∆e∞ (jours) Po GSB 2.13 1.92 10 Gr GSB 2.33 2.01 28

Table. VI -2

Paramètres caractérisant la cinétique de gonflement des GSB pendant l'essai.

Le gonflement vertical pour un temps infini ∆e∞ calculé est alors comparé au gonflement cumulé mesuré ∆e. Lorsque ∆e > 0.9 ∆e∞ la phase de saturation est considérée comme achevée et l'essai de perméabilité peut commencer (Table. VI-2).

3.4. Cinétique d'absorption

La cinétique d'absorption obéit également à une loi hyperbolique pour des temps d'essais suffisamment longs (Fig. VI-11):

y

tV V

t t∞=+

(VI -5)

185

Où V est le volume absorbé en mL; t est le temps en jours; V∞ est le volume correspondant au gonflement ∆e∞ en mL; ty est le temps correspondant à y % du volume V∞.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30 40 50 60Temps (jours)

Vol

ume

(mL)

Po GSB volume d'eau entrant

Po GSB volume d'eau sortantGr GSB volume d'eau entrant

Gr GSB volume d'eau sortant

Fig. VI -11

Cinétique des flux entrant et sortant cumulés des œdoperméamètres pour les deux éprouvettes de GSB.

La valeur V∞ est déterminée à partir de l'équation de la droite (Fig. VI-12):

1 yttt

V V V∞ ∞

= +

(VI -6)

La représentation du volume absorbé cumulé dans le système de coordonnées (t, t/V) est une droite de pente égale à 1/V∞. Le volume calculé V∞ est comparé au volume absorbé cumulé V mesuré. Lorsque V > 0.9 V∞ la phase de saturation est considérée comme achevée et l'essai de perméabilité peut commencer (Table. VI-3).

Eprouvette de GSB V∞ (mL) 90% du V∞ (mL) Durée de la saturation pour atteindre 90% du V∞ (jours)

Po GSB 208 187 16 Gr GSB 238 214 27

Table. VI -3

Paramètres caractérisant la cinétique d'absorption des GSB pendant l'essai.

186

Po GSB:Corrélation entre les points

y = 0.0048x + 0.0102R2 = 0.9979

Gr GSB:Corrélation entre les points

y = 0.0042x + 0.0246R2 = 0.981

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0 5 10 15 20 25 30

Temps (jours)

Tem

ps/d

elta

vol

ume

entra

nt

(jour

s/m

L)Po GSB

Gr GSB

Linéaire (Po GSB)

Linéaire (Gr GSB)

Fig. VI -12

Représentation de la loi hyperbolique pour les volumes entrants.

3.5. Perméabilité à l'eau

Lorsque 90 % du gonflement ∆e∞ a été atteint, des essais de perméabilité sur les deux GSB ont été réalisés pour des charges hydrauliques constantes de 100 mm, 300 mm et 1000 mm. Pour cela, le volume du liquide traversant l'éprouvette de GSB sous chaque charge est mesuré. Le flux F au travers du GSB est ensuite calculé à partir de la relation suivante (Fig. VI-13):

.

VF

t A=

∆

(VI -7)

Où V est le volume entrant ou sortant mesuré pendant une durée ∆t; A est la surface de l’éprouvette concernée par l’écoulement.

187

0.00E+00

5.00E-10

1.00E-09

1.50E-09

2.00E-09

2.50E-09

3.00E-09

3.50E-09

4.00E-09

0 20 40 60 80

Temps (Jours)

Flu

x en

trant

(m

3/m

2/s)

Po GSB

Gr GSB

Fig. VI -13

Evolution des flux entrant dans le temps. Les trois cercles représentent les paliers de charge pour les deux éprouvettes.

Po GSB:y = 0.9814x + 2E-10

Gr GSB:y = 0.8033x + 9E-10

1.00E-10

1.10E-09

2.10E-09

3.10E-09

1.00E-10 1.10E-09 2.10E-09 3.10E-09

Flux sortant (mL)

Flu

x en

trant

(m

L)

Po GSB

Gr GSB

Linéaire (Po GSB)

Linéaire (Gr GSB)

Fig. VI -14

Evolution des flux entrant par rapport aux flux sortant (les flux sont moyennés pour chaque palier de charge).

Les courbes représentant les flux entrant par rapport aux flux sortant pour les deux éprouvettes calculés à chaque palier de charge sont des droites dont les coefficients directeurs sont compris entre 0,80 et 0,98 (Fig. VI-14). On constate que le flux entrant est légèrement supérieur au flux sortant ce qui montre que les éprouvettes n'ont pas encore atteint le gonflement ∆e∞. La représentation du flux en fonction de la charge hydraulique permet de vérifier si l'écoulement est stable et donc s'il suit la loi de Darcy. En effet, dans les sols saturés la droite doit théoriquement passer par l'origine. Le graphe représentant le flux en fonction des trois charges hydrauliques utilisées au cours de l'essai est alors tracé afin de vérifier l'applicabilité de la loi de Darcy pour déterminer le

188

coefficient de perméabilité (Fig.VI-15). Le coefficient de perméabilité K est ensuite calculé en utilisant la loi de Darcy :

FK

i=

(VI -8)

Avec i le gradient hydraulique:

f

hi

e

∆=

(VI -9)

Où ef est l’épaisseur finale de l’échantillon après la phase de gonflement.

Po GSBy = 2E-12x + 5E-10

R2 = 0.9481

Gr GSBy = 2E-12x + 9E-10

R2 = 0.983

0.0E+00

5.0E-10

1.0E-09

1.5E-09

2.0E-09

2.5E-09

3.0E-09

3.5E-09

4.0E-09

4.5E-09

5.0E-09

0 200 400 600 800 1000

Charge hydraulique (mm)

Flu

x (m

3/m

2/s)

Po GSB

Gr GSB

Linéaire (Po GSB)

Linéaire (Gr GSB)

Fig. VI -15

Flux en fonction de la charge pour les deux éprouvettes.

Cette épaisseur est égale à:

f initiale H e= + ∆

(VI -10)

Où les hauteurs initiales des éprouvettes Hinitial sont issues de la section 3.2.1 du chapitre V où la mesure de la hauteur sous une contrainte de 12 kPa a été effectuée: Hinitial Po GSB = 6.955 mm; Hinitial Gr GSB = 6.825 mm.

Avec ces valeurs de flux, en considérant l’ensemble des mesures en régime permanent pour chaque charge hydraulique, les valeurs de perméabilité obtenues sont les suivantes :

189

Charge hydraulique (mm)

100 300 1000

K (m/s) ∆K (m/s) K (m/s) ∆K (m/s) K (m/s) ∆K (m/s) Po GSB 1.6×10-11 0.1×10-11 1.5×10-11 0.1×10-11 1.5×10-11 0.1×10-11 Gr GSB 3.1×10-11 0.3×10-11 2.9×10-11 0.2×10-11 3.2×10-11 0.2×10-11

Table. VI -4

Perméabilités des deux échantillons de GSB testés. ∆K représente l'erreur sur K liée aux conditions expérimentales.

Toutes les valeurs de perméabilité sont de l'ordre de grandeur attendue et conformes à celles annoncées par les producteurs. Le volume des vides Vv est estimé en fin d’essai à partir de l’équation suivante (en supposant que la teneur en eau finale wf est égale à la teneur en eau de saturation) :

100a

v

MV w A

fρw

=

(VI -11)

Où Vv est le volume des vides de la bentonite du GSB; Ma est la masse surfacique de bentonite; ρw est la masse volumique de l’eau.

wf (%) Ma (kg/m2) Vv (mL) Po GSB 130 5.48 350 Gr GSB 150 4.95 364

Table. VI -5

Calcul du volume des vides pour les deux échantillons de GSB.

4. Perméabilité à l'eau en régime variable

Le régime variable permet d'avoir une estimation de la perméabilité du GSB dans des temps beaucoup plus courts qu'en régime permanent. En effet, la mesure peut être effectuée juste après la phase de saturation sans attendre l'établissement des trois paliers de charge.

190

4.1. Mode opératoire

Le dispositif utilisé pour les essais de perméabilité en régime variable est identique à celui présenté dans la norme XP P 84-705 (section 2. du même chapitre). En effet, l'oedoperméamètre a été adapté à la mesure de perméabilité au choc impulsionnel grâce à l'ajout d'un capteur de pression en sortie de la cellule. Avant de procéder à l'essai proprement dit, le volume infiltré dans le piston, l'embase et les deux pierres poreuses doivent être déterminés ainsi que la compressibilité du système. L'essai de perméabilité en régime variable consiste à enregistrer la chute de la pression dans la chambre située en dessous de l’échantillon en fonction du temps jusqu'à ce que celle-ci se stabilise à la valeur de la pression atmosphérique. Cet essai est relativement simple à mettre en oeuvre, en revanche les mesures préalables du volume infiltré et de la compressibilité sont plus délicates à effectuer.

4.2. Mesure du volume d'eau contenu dans le système à saturation

La détermination du volume d'eau contenu dans le piston, l'embase et les deux pierres poreuses à saturation a été effectuée par différents pesages. En effet, le système {piston + pierre poreuse supérieure} a été pesé avant la saturation en eau puis pesé une deuxième fois après sa saturation. La différence entre les deux masses donne le volume d’eau infiltré dans ce système lors de la saturation. Le même procédé est utilisé pour le système {embase + pierre poreuse inférieure}. Les volumes d'eau trouvés sont de 171,5 mL pour le système {piston + pierre poreuse supérieure} et 178,5 mL pour le système {embase + pierre poreuse inférieure} avec pour ces deux valeurs une erreur de +/- 2 mL correspondant à la précision de la balance.

4.3. Détermination du coefficient de compressibilité

Afin de déterminer le coefficient de compressibilité du système, les vannes d'entrée et de sortie d'eau de l'oedoperméamètre sont fermées. La pression initiale en bas de la cellule au niveau de la purge est ensuite relevée à l'aide d'un capteur. Un volume connu d’eau déminéralisée est injecté instantanément à l’aide d’une seringue graduée dans l'oedoperméamètre au niveau de l'une des vannes de sortie de l'oedoperméamètre. La variation de pression occasionnée par cette injection d'eau est ensuite mesurée à l’aide du capteur. La relation (VI-12) est utilisée pour déterminer le coefficient de compressibilité Cobs:

1 w

obsw

dVC

V dP=

(VI -12)

191

Où VW est le volume d’eau dans le système; dVW est le volume d’eau injecté; dP est la variation de pression dans le système.

Les résultats obtenus sont du même ordre de grandeur pour tous les essais (Table.VI-6). La valeur de Cobs suivante sera donc utilisée:

Cobs= 1.2×10-6 Pa-1

1er essai 2ème essai 3ème essai 4ème essai Capteur bas Capteur bas Capteur bas Capteur bas

Charge initiale (Pa) 5846.76 6445.17 1294.92 1294.92

Volume injecté (m3) 5.0×10-7 1.0×10-7 1.0×10-7 1.0×10-7

Charge Max après injection (Pa) 8564.13 11850.48 5787.9 5689.8

Cobs (Pa-1) 1.0×10-6 1.0×10-6 1.3×10-6 1.3×10-6 ∆Cobs (Pa-1) 0.2×10-6 0.1×10-6 0.1×10-6 0.2×10-6

Table. VI -6

Calcul du coefficient de compressibilité Cobs . ∆Cobs représente l'erreur sur Cobs liée aux conditions expérimentales.

4.4. Pulse test et calcul de la perméabilité

La méthodologie consiste à estimer le volume d'eau infiltré en fonction du temps lors de la dissipation de la charge mesurée avec un capteur de pression (Cazaux 1998). L'expression du volume V est la suivante:

0( )T w w t obsV V g h h Cρ= −

(VI -13)

Où V T est le volume infiltré cumulé; ρw est la masse volumique de l'eau; g est l'accélération de la pesanteur; ht représente la charge hydraulique au temps t; h0 représente la charge hydraulique à l'origine des temps; Cobs est le coefficient de compressibilité du système mesuré précédemment. Après avoir fermé la vanne de liaison au tube de Mariotte, on enregistre la dissipation de la charge (Fig. VI-16).

192

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0Durée (heures)

Cha

rge

(m

)

Po GSB

Gr GSB

Fig. VI -16

Dissipation de la charge enregistrée pour une charge initiale d’environ 1,10 m.

La vitesse d’infiltration v est ensuite calculée à chaque pas de temps ∆t par la relation:

Vv

A t

∆=∆

(VI -14)

Où A est la surface d’écoulement (pierre poreuse). Le coefficient de perméabilité à l'eau est alors calculé en utilisant la méthode directe à saturation:

f

f

eK v

h e=

+

(VI -15)

Où ef est la hauteur de l’éprouvette; h la charge hydraulique au temps t. En prenant comme hauteur de l'échantillon de Po GSB saturé égale à 8,875 mm et de Gr GSB saturé égale à 8,835 mm, on trouve comme valeurs de perméabilités moyennes (Table. VI- 7):

193

Kmoyen (m/s) Po GSB 1.9 ×10-11 Gr GSB 4.1×10-11

Table. VI -7

Perméabilités moyennes obtenues avec le pulse test. On constate une dispersion des points sur le graphique (Fig. VI-17); malgré cela, les valeurs de K sont assez rapprochées : 1×10-11 < K (m/s) < 3×10-11.

0

1E-11

2E-11

3E-11

4E-11

5E-11

6E-11

7E-11

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Temps (Heures)

K (

m/s

)

Po GSB

Fig. VI -17

Coefficient de perméabilité à l'eau K calculé pour le Po GSB. Ces valeurs sont supérieures à celles obtenues lors de l’essai à charge constante. En effet, la méthode à charge variable où la contrainte de confinement ne peut pas être maintenue constante durant la durée de l'essai, ne fournit qu'une approximation correcte du coefficient de perméabilité.

5. Essais de performance

5.1. Programme expérimental

Des essais de performances ont été menés sur les matériaux de la couverture du site afin de constituer une méthodologie pour évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de

194

couverture et anticiper ainsi les phénomènes qui peuvent altérer les caractéristiques de la couche étanche. L'objectif de ce programme expérimental est de répondre à un certain nombre de questions concernant le comportement à plus long terme des GSB en relation avec les conditions réelles dans lesquelles ils sont mis en œuvre dans la couverture de l'installation de stockage des déchets de Chatuzange-le-Goubet. Dans ce cadre les GSB sont soumis à la contrainte de confinement correspondant à celle appliquée sur le GSB in situ. Les deux types de GSB testés ont été mis en contact dans les oedoperméamètres avec les différents percolats synthétiques (Chapitre V section 3.) après avoir été partiellement saturés ou à l'état sec. Leurs conductivités hydrauliques ont ensuite été déterminées.

5.2. GSB pré-hydratés avec une solution de NaCl L'influence d'une pré-hydratation des éprouvettes est étudiée afin de pouvoir relier les valeurs obtenues en laboratoire avec les résultats du site où deux lés de GSB ont été pré-hydratés lors de leur pose. Les éprouvettes de GSB nommées Po GSB 1 et Gr GSB 1 ont été mises en contact avec le percolat synthétique issu du bicouche "Tout venant + Terre végétale" après avoir été hydratées avec une solution de NaCl à 0,1 M. La Table. VI-8 rappelle les concentrations des ions contenus dans les percolats récoltés. La Fig. VI-18 présente les cinétiques de gonflement obtenues lors de ces deux essais.

Concentrations des ions contenus dans les percolats récoltés issu du bicouche

"Terre végétale + Tout venant". LD signifie limite de détection.

Concentration des ions Essais en PPR

(mg/L)

Ca2+ K+ Mg2+ Na+ Cl- SO42- PO4

3- NO3-

3a 74.20 1.99 1.03 5.36 5.93 26.0 <LD 39.3 3b 53.30 0.91 0.90 3.04 1.37 13.9 <LD 3.72 3c 63.10 0.96 1.13 4.45 1.19 20.4 <LD 0.534 3d 56.20 1.07 1.02 3.29 1.18 21.7 <LD <LD 3e 56.20 0.98 1.13 2.46 1.13 16.6 <LD <LD 3f 59.90 0.95 1.24 1.83 1.24 23.2 <LD <LD 3g 58.50 0.76 1.16 1.31 1.28 18.7 <LD <LD

Table. VI -8

195

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 10 20 30 40 50 60

Temps (Jours)

Gon

flem

ent d

e l'é

prou

vette

(m

m)

Po GSB 1

Gr GSB 1

Fig. VI -18

Cinétique de gonflement des essais Po GSB 1 et Gr GSB 1. Les flèches représentent les changements de charges hydrauliques appliquées sur les éprouvettes.

Les cinétiques de gonflement obéissent toujours à la loi hyperbolique et les paramètres caractérisant le gonflement pour les deux GSB sont présentés à la Table. VI- 9.

Echantillon de GSB ∆h∞ (mm) 90% du ∆h∞ (mm)

Po GSB 2.23 2.01

Gr GSB 2.15 1.93

Table. VI -9

Paramètres caractérisant le gonflement des deux GSB lors des essais Po GSB 1 et Gr GSB 1.

Les cinétiques de gonflement ressemblent à celles obtenues à la section précédente avec la solution de NaCl mais le gonflement se stabilise un peu plus tard vers le 30ème jour. Le retard au gonflement de l'éprouvette Gr semble être accentué avant le 20ème jour. Les gonflements finaux des éprouvettes sont équivalents au cas précédent.

5.3. GSB hydratés directement avec le percolat issu du bicouche "tout

venant + terre végétale"

Les éprouvettes de GSB nommées Po GSB 2 et Gr GSB 2 ont été mises en contact directement avec le percolat synthétique issu du bicouche « Tout venant + Terre végétale ». La Fig. VI-19 présente les cinétiques de gonflement obtenues lors de ces deux essais.

h = 600 mm

h = 300 mm h = 1000 mm h = 600 mm

h = 1000 mm h = 300 mm

196

0

0.20.4

0.6

0.81

1.21.4

1.6

1.82

2.2

0 20 40 60 80

Temps (Jours)

Gon

flem

ent d

e l'é

prou

vette

(m

m)

Po GSB 2

Gr GSB 2

Fig. VI -19 Cinétique de gonflement des essais Po GSB 2 et Gr GSB 2. Les flèches représentent les

changements de charges hydrauliques appliquées sur les éprouvettes.

Les cinétiques de gonflement obéissent toujours à la loi hyperbolique et les paramètres caractérisants le gonflement pour les deux GSB sont présentés à la Table. VI- 10.

Echantillon de GSB ∆h∞ (mm) 90% du ∆h∞ (mm)

Po GSB 2.20 1.98 Gr GSB 2.13 1.92

Table. VI -10

Paramètres caractérisant le gonflement des deux GSB lors des essais Po GSB 2 et Gr GSB 2.

Les cinétiques de gonflement sont beaucoup plus lentes que dans les deux essais précédents. En effet, le gonflement se stabilise après 50 jours pour le Po GSB et après plus de 70 jours pour Gr GSB. Les gonflements finaux atteints sont légèrement inférieurs à ceux atteints par les éprouvettes pré-hydratées et hydratées avec la solution de NaCl.

5.4. GSB hydratés directement avec le percolat issu du bicouche "sol calcaire + terre végétale"

Les éprouvettes de GSB nommées Po GSB 3 et Gr GSB 3 ont été mises en contact directement avec le percolat synthétique issu du bicouche "Sol calcaire + Terre végétale". La Table. VI-11 rappelle les concentrations des ions contenus dans les percolats récoltés. La Fig. VI-20 présente les cinétiques de gonflement obtenues lors de ces deux essais.

h = 100 mm h = 1000 mm h = 300 mm

h = 1000 mm

h = 100 mm

h = 300 mm

197

Concentrations des ions contenus dans les percolats récoltés issu du bicouche "Terre végétale + Sol calcaire". LD signifie limite de détection.

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

22.22.4

0 20 40 60 80 100 120

Temps (Jours)

Gon

flem

ent d

e l'é

prou

vette

(m

m)

Po GSB 3

Gr GSB 3

Fig. VI -20

Cinétique de gonflement des essais Po GSB 3 et Gr GSB 3. Les flèches représentent les changements de charges hydrauliques appliquées sur les éprouvettes.

Les cinétiques de gonflement obéissent toujours à la loi hyperbolique et les paramètres caractérisants le gonflement pour les deux GSB sont présentés à la Table. VI- 12.

Echantillon de GSB ∆h∞ (mm) 90% du ∆h∞ (mm)

Po GSB 2.39 2.15 Gr GSB 2.42 2.18

Table. VI -12

Paramètres caractérisant le gonflement des deux GSB lors des essais Po GSB 3 et Gr GSB 3.

Dans le cas des éprouvettes hydratées avec le percolat issu du bicouche "Sol calcaire + Terre végétale" on constate que les cinétiques de gonflement sont encore plus lentes. En effet, le

Concentration des ions Essais en PPR

(mg/L)

Ca2+ K+ Mg2+ Na+ Cl- SO42- PO4

3- NO3-

4a 36.30 3.78 2.08 55.20 15.2 58.6 <LD 29.5 4b 55.60 1.83 3.27 9.02 2.44 28.9 <LD 0.316 4c 51.40 1.30 2.64 3.74 1.41 18.7 <LD <LD 4d 44.70 1.10 1.86 2.43 1.33 13.3 <LD <LD 4e 44.10 0.85 2.05 1.98 1.21 11.7 <LD <LD 4f 40.50 0.89 1.56 1.37 1.19 13.9 <LD <LD

Table. VI -11

h = 1000 mm h = 300 mm

h = 1000 mm h = 300 mm

198

gonflement se stabilise après 80 jours pour les deux éprouvettes. En revanche, les gonflements finaux atteints sont supérieurs à ceux des trois autres essais précédents. De plus contrairement aux courbes de gonflements obtenues jusqu'à présent le Gr GSB ne présente pas un retard de gonflement par rapport au Po GSB et gonfle même plus vite que ce dernier. Le GSB en poudre semble donc être plus fortement affecté par un contact avec une solution calcaire que le Gr GSB.

5.5. Bilan des perméabilités à l'eau

La représentation du flux en fonction de la charge hydraulique permet de vérifier si l'écoulement est stable et donc s'il suit la loi de Darcy. En effet, dans les sols saturés la droite doit théoriquement passer par l'origine. Le graphe représentant les flux en fonction des trois charges hydrauliques utilisées au cours de l'essai est alors tracé afin de vérifier l'applicabilité de la loi de Darcy pour déterminer les coefficients de perméabilité (Fig.VI-22). Les courbes obtenues sont des droites passant pratiquement par l’origine.

0.E+00

1.E-09

2.E-09

3.E-09

4.E-09

5.E-09

6.E-09

7.E-09

8.E-09

9.E-09

1.E-08

0 200 400 600 800 1000 1200

Charge hydraulique (mm)

Flu

x en

trant

(m3/

m2/

s)

Po GSB 1

Gr GSB 1

Po GSB 2

Gr GSB 2

Po GSB 3

Gr GSB 3

Linéaire (PoGSB 1)Linéaire (GrGSB 1)Linéaire (PoGSB 2)Linéaire (GrGSB 2)Linéaire (PoGSB 3)Linéaire (GrGSB 3)

Fig. VI -21

Flux en fonction de la charge hydraulique pour tous les essais. Po GSB 1 et Gr GSB 1 sont les deux essais effectués avec pré-hydratation des GSB ; Po GSB 2 et Gr GSB 2

sont les essais réalisés avec le percolat issu du bicouche "Terre végétale + Tout venant" ; Po GSB 3 et Gr GSB 3 sont ceux réalisés avec le percolat issu du bicouche

"Terre végétale + Sol calcaire".

La Fig. VI-23 représente le flux en fonction du nombre de volume des vides pour tous les essais. On constate que pour le dernier palier de charge hydraulique le nombre de volume des vides est compris entre 2,2 et 3,0. Les différents coefficients de perméabilité K sont donc calculés en utilisant la loi de Darcy, à partir des valeurs obtenues dans le dernier palier de

199

charge hydraulique (Table. VI-13). En effet, les valeurs de perméabilité calculées sont ainsi obtenues pour des fractions des vides relativement proches et pourront donc être comparées.

0.E+00

1.E-09

2.E-09

3.E-09

4.E-09

5.E-09

6.E-09

7.E-09

8.E-09

9.E-09

1.E-08

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Volume entrant/volume des pores

Flu

x en

trant

(m

3/m

2/s)

Po GSB 1Gr GSB 1Po GSB 2Gr GSB 2Po GSB 3Gr GSB 3

Fig. VI -22

Flux en fonction du volume des vides pour tous les essais. Chaque valeur du flux représente une moyenne des flux pour un même palier de charge hydraulique; Po GSB 1 et Gr GSB 1 sont les deux essais effectués avec pré-hydratation des GSB; Po GSB 2 et Gr GSB 2 sont les essais réalisés avec le percolat issu du bicouche "Terre végétale +

Tout venant"; Po GSB 3 et Gr GSB 3 sont ceux réalisés avec le percolat issu du bicouche "Terre végétale + Sol calcaire".

Essai Kmoyen (m/s) ∆Kmoyen (m/s) Po GSB 1.5×10-11 0.1×10-11 Po GSB 1 1.2×10-11 0.1×10-11 Po GSB 2 1.9×10-11 0.2×10-11 Po GSB 3 6.2×10-11 0.5×10-11 Gr GSB 3.1×10-11 0.2×10-11 Gr GSB 1 2.0×10-11 0.1×10-11 Gr GSB 2 2.4×10-11 0.3×10-11 Gr GSB 3 4.0×10-11 0.3×10-11

Table. VI -13

Perméabilités moyennes des échantillons de GSB lors des différents essais. Les valeurs Po GSB et Gr GSB correspondent aux essais effectués dans la section 3. de ce même

chapitre avec une solution de NaCl. Po GSB 1 et Gr GSB 1 sont les deux essais effectués avec pré-hydratation des GSB; Po GSB 2 et Gr GSB 2 sont les essais réalisés avec le percolat issu du bicouche "Terre végétale + Tout venant"; Po GSB 3 et Gr GSB 3 sont ceux réalisés avec le percolat issu du bicouche "Terre végétale + Sol calcaire";

∆K représente l'erreur sur la mesure expérimentale.

200

0.00E+00

1.00E-11

2.00E-11

3.00E-11

4.00E-11

5.00E-11

6.00E-11

7.00E-11

Po GSB

K (

m/s

)

Po GSB

Po GSB 1

Po GSB 2

Po GSB 3

Fig. VI -23

Perméabilités moyennes des échantillons de Po GSB lors des différents essais calculées à partir des valeurs du flux obtenues lors du dernier palier de charge

hydraulique.

0.00E+00

1.00E-11

2.00E-11

3.00E-11

4.00E-11

5.00E-11

6.00E-11

7.00E-11

Gr GSB

K (

m/s

)

Gr GSB

Gr GSB 1

Gr GSB 2

Gr GSB 3

Fig. VI -24

Perméabilités moyennes des échantillons de Gr GSB lors des différents essais calculées à partir des valeurs du flux obtenues lors du dernier palier de charge

hydraulique.

201

Sur les Fig. VI-23 et VI-24, si l'on tient compte des barres d'erreur, les valeurs de perméabilité des essais initiaux effectués avec comme liquide de percolation une solution de NaCl (Po GSB et Gr GSB), et ceux effectués avec le percolat issu du bicouche "Terre végétale + Tout venant" avec ou sans une pré-hydratation avec une solution de NaCl (Po GSB 1, Gr GSB 1 et Po GSB 2, Gr GSB 2), sont proches. Donc il n'y aurait pas d'influence négative du sol de couverture de l’ISD de Chatuzange sur les GSB en place à court terme (pour un volume de percolat ayant traversé le GSB égal à trois fois le volume des vides de ce même GSB). Mais le suivi des ions contenus dans les percolats issus des lysimètres sur site a montré que l'échange cationique a bien lieu au sein de la couverture; les matériaux de couverture vont donc altérer les propriétés du GSB à plus long terme. En revanche le percolat issu du sol calcaire influe un peu sur la perméabilité, on constate en effet une augmentation de la perméabilité des deux GSB. Cette augmentation est plus importante pour le Po GSB; en effet, comme on l'a déjà constaté lors de l'étude des cinétiques de gonflement au cours des différents essais, le GSB en poudre semble être plus fortement affecté par un contact avec une solution calcaire que le Gr GSB. Les résultats obtenus peuvent être comparés à l'étude effectuée par Benson et al. en 2007 (Table. VI-14). En effet, Benson et al. ont effectué des essais de perméabilité sur des GSB en utilisant comme liquides de percolation de l'eau DI, ou du percolat synthétique fabriqué à partir de la percolation d'eau de pluie au travers des matériaux constituant la couverture du site. Le percolat synthétique utilisé par Benson avait une force ionique égale à 0,0089 M et un RMD égal à 0,0033 M1/2. De plus celui-ci était constitué majoritairement de calcium (71,7 mg/L).

Conductivité hydraulique K (m/s)

Etude Echantillon

de GSB Eau DI Solution de NaCl

Percolat des sols de couverture

pré-hydratation avec NaCl puis percolat des sols de couverture

Percolat d'un sol calcaire

Notre étude

Na-bentonite Poudre

5.3 kg/m2 1.5×10-11 1.9×10-11 1.2×10-11 6.2×10-11

Na-bentonite Granulés 5 kg/m2 3.1×10-11 2.4×10-11 2.0×10-11 4.0×10-11

Benson et al.

(2007)

Na-bentonite Granulés 3.6 kg/m2 2.7×10-11 7.8×10-11

Table. VI -14

Tableau comparatif des conductivités hydrauliques des GSB obtenues pour deux études.

Contrairement à notre étude, Benson et al. ont montré que les valeurs de conductivité hydraulique augmentent lorsque le liquide de percolation utilisé est le percolat issu des sols de couverture. Mais ce percolat avait une force ionique supérieure au percolat utilisé dans notre étude et sa teneur en calcium était aussi plus élevée.

202

6. Conclusion

L'objectif de ce programme expérimental était de constituer une méthodologie pour évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture et anticiper ainsi les phénomènes qui vont altérer les caractéristiques de la couche étanche. Pour cela, les deux types de GSB testés ont été mis en contact dans les oedoperméamètres avec les différents percolats synthétiques après avoir été partiellement saturés ou à l'état sec et soumis à la contrainte de confinement correspondant à celle appliquée sur le GSB in situ. Les résultats indiquent une différence dans les cinétiques de gonflement. En effet, pour les essais lors desquels le GSB est hydraté ou pré-hydraté avec la solution de NaCl, celles-ci sont relativement proches. La stabilisation du gonflement est observée entre 20 et 30 jours. En revanche pour les essais effectués avec les percolats issus des sols de couverture et du sol calcaire les cinétiques de gonflement sont beaucoup plus lentes (stabilisation après 50 à 70 jours pour les sols de couverture et 80 jours pour le sol calcaire). Les valeurs de perméabilité obtenues pour tous les essais effectués avec comme liquide de percolation une solution de NaCl et ceux effectués avec le percolat issu du bicouche "Terre végétale + tout venant" avec ou sans une pré-hydratation avec une solution de NaCl, sont proches. Donc il n'y aurait pas d'influence négative à court terme du sol de couverture Chatuzange sur les GSB en place. En revanche le percolat issu du sol calcaire influe un peu sur la perméabilité, on constate en effet une augmentation de la perméabilité des deux GSB (surtout visible surtout pour le Po GSB).

Si l'on compare ces résultats obtenus en laboratoire avec les valeurs de perméabilité estimées in situ à partir des volumes d'eau percolées pour un nombre des vides inférieur (1,5) (Table.V-19), on constate que les valeurs obtenues sur le site sont supérieures à celles calculées en laboratoire. Ceci montre bien que l'échange cationique avec l'eau chargée ayant percolée au travers des sols de couverture ne peut donc être le seul responsable des conductivités hydrauliques plus élevées observées sur le site. Comme expliqué précédemment (Chapitre V section 4), la dessiccation du GSB durant l'été 2007 est donc la cause de l'augmentation des flux d'eau au travers du GSB sur le site.

203

Chapitre VII :

Etude en laboratoire du transfert de gaz dans

les matériaux d'étanchéité

204

205

1. Introduction

Les méthodes de détermination en régime permanent du coefficient de perméabilité au gaz génèrent des difficultés lors des essais en laboratoire, notamment avec les matériaux saturés et les essais in situ s'avèrent eux aussi très compliqués à cause de la grande échelle et des durées des expériences. C'est pourquoi, pour l'étude des transferts de gaz, une méthode d'essai en régime variable basée sur le suivi de la chute de pression a été développée. Cette méthode permet la détermination du coefficient de perméabilité à partir d'équations simplifiées du transfert du gaz au travers du matériau d'étanchéité. Ce chapitre concerne les essais menés en laboratoire permettant de quantifier les fuites de gaz au travers des matériaux étanches utilisés en couverture. Après une présentation de la méthode retenue (dite de la « chute de pression ») avec son modèle théorique qui lui sert de support, les résultats d’essais menés sur différentes éprouvettes de GSB et d’argile sont présentés. La recherche expérimentale s'attache notamment à étudier l'effet d'une déformation des matériaux sur leur perméabilité grâce a des dispositifs expérimentaux permettant la déformation des éprouvettes. La description des équipements spécialement conçus pour réaliser ces essais, les procédures de préparations des éprouvettes ainsi que les résultats obtenus et leur traitement sont ensuite détaillés. Enfin une dernière partie est consacrée à la validation du modèle théorique, effectuée en partie avec un outil numérique.

2. Base théorique simplifiée du test de la chute de pression

Le principe de la mesure de la chute de pression en régime variable consiste à placer une éprouvette de matériau à tester dans une boite sans couvercle puis à introduire dans la chambre située sous l'éprouvette du gaz sous pression. Lorsque cette chambre est isolée, la diminution de la pression du gaz P(t), due à la migration du gaz au travers de l'éprouvette, est alors enregistrée. Afin d'exploiter de manière simple et rapide les courbes de chute de pression enregistrées dans la chambre, une expression simplifiée décrivant l'écoulement isotherme d'un gaz compressible au travers de l'éprouvette a été développée et une solution analytique de cette équation simplifiée permet ensuite de déterminer le coefficient de perméabilité effectif au gaz de l'éprouvette keg. Dans le cas d'un flux de gaz advectif au travers d'un matériau, lorsque l’on se place en conditions isothermes, l'équation différentielle qui régit l’écoulement gazeux pour une dimension dans l’éprouvette est obtenue à partir de l'équation de Darcy (II-11) combinée avec l'équation de continuité et l'équation des gaz parfaits (III-7) (Baehr et al. 1991, Li et al. 2004):

206

2 2 2

2

egm

m g

kP P P

P P t z

εη

∂ ∂=∂ ∂

(VII -1)

où ε est la porosité de l’éprouvette; Pm est la pression moyenne définie comme la moyenne des pressions maximales et minimales utilisées dans les tests; keg le coefficient de perméabilité effectif au gaz; ηg la viscosité dynamique du gaz.

Etant donné les petites variations de pression utilisées dans les essais, le terme P

Pm peut être

approximé à 1. En effet, lors des essais la pression P varie entre la pression atmosphérique (par exemple Patm = 100 kPa) et une pression maximale Pmax = Patm + 5 kPa. Dans ce cas, la

pression moyenne Pm est égale à 102.5 kPa et P

Pm peut être approximé à 1 avec une erreur

inférieure à 2,5 %. L'équation (VII-1) devient alors:

2 2 2

2

( , ) ( , )eg

m g

kP z t P z t

P t z

εη

∂ ∂=∂ ∂

(VII -2)

Li (2004) a proposé une résolution approchée de l'équation (VII-2). En effet, en intégrant deux fois successivement l'équation (VII-2) dans l'intervalle (0, ξ) en fonction de z puis dans l'intervalle (0,z) en fonction de ξ, nous obtenons en respectant la condition ( , ) atmz Z

P z t P=

= et la notation 0

( , ) ( )czP z t P t

== :

2 22

0

,(1 )

Zatm c

z

P P (t)P (z t)=

zθ

=

−∂ −∂

(VII -3)

avec

2

2 2 0 0

( , )1

( )

Zg

atm c eg m

P z tdz d

P P t k P t

ξεηθ ξ ∂= − ∂

∫ ∫

(VII -4) Il est possible de majorer la double intégrale intervenant dans l'expression de θ. En effet, la plus forte chute de pression dans l'échantillon P(z,t) à lieu en z = 0; P(z,t) satisfait donc pour tout temps t pour tout z tel que 0 z Z≤ ≤ ,

207

22 ( ) ( )( , )2 ( )c c

c

dP t dP tP z tP t

t dt dt

∂ ≤ =∂

(VII -5)

En utilisant l'inégalité (VII-6) dans l'équation (VII-4), il vient

2

2 2

( ) ( , )

( )

defg c

eg m c atm

Z P t dP z t

k P P t P dt

εηθ δ≤ =

−

(VII -6)

Si 1<<δ , le terme θ dans l’équation (VII-3) peut être négligé et cette équation devient:

2 22

0

,

Zatm c

z

P P (t)P (z t)=

z =

−∂∂

(VII -7)

L'équation (VII-7) revient à considérer la fonction P2(z,t) comme fonction linéaire en z, ce qui semble correct lorsque l'épaisseur Z de l'éprouvette est petite devant le volume de la chambre (section 6. de ce même chapitre). Pour confirmer l'utilisation de cette approximation, deux méthodes peuvent être envisagées. La première consiste à vérifier a posteriori que le paramètre δ satisfait bien l'inéquation 1<<δ . La deuxième méthode envisage de déterminer une solution numérique de l'équation (VII-2) et de vérifier le comportement linéaire de la fonction P2(z,t) en fonction de z pour différents temps t (Section 6. de ce même chapitre). Le bilan de masse à l'interface éprouvette-chambre permet d'obtenir une équation aux dérivées partielles reliant l'évolution temporelle et spatiale de la pression en z = 0. La masse de gaz mg qui fuit au travers de l'éprouvette de surface A entre les temps t et t+dt est donnée par:

(0, ) (0, )gdm A t v t dtρ=

(VII -8)

De plus, la masse de gaz perdue mp dans le réservoir de volume V entre les temps t et t+dt est donnée par:

(0, )(0, )p

d tdm V dt Vd t

dt

ρ ρ= − = −

(VII -9)

208

Compte tenu des relations (VII-8) et (VII-9), la conservation de la masse au point z = 0 permet alors d'écrire:

(0, ) (0, ) (0, )A t v t dt Vd tρ ρ= −

(VII -10)

En considérant le cas d'un flux de gaz au travers d'une éprouvette non saturée à teneur en eau donnée (II-21), la loi de Darcy (II-11) s'écrit:

( , ) eg

g

k Pv z t

zη∂= −∂

(VII -11)

De plus, si on assimile le gaz considéré à un gaz parfait (Li et al. 2003), on peut écrire, d’après la loi des gaz parfaits, que la masse volumique ρ est donnée par:

MP

RTρ =

(VII -12)

Dans les conditions isothermes, en injectant les équations (VII-11) et (VII-12) dans (VII-10), il vient simplement:

0

2( )

2egc

g

z

AkdP t

dt V

Pzη

=

=∂∂

(VII -13)

En combinant les relations (VII-7) et (VII-13), il résulte une équation simplifiée décrivant l'évolution temporelle de la pression Pc(t) de la chambre en fonction des caractéristiques du dispositif:

2 2( ) 1

( )2

egcatm c

AkdP tP P t

dt V Zη = −

(VII -14)

Li et al. ont pu grâce à cette équation déduire keg de l’étude de la fonction Pc(t). De plus, lors de nos essais, Pc(t) étant très proche de Patm nous avons pu aller plus loin dans les simplifications et étudier une fonction plus simple tout en obtenant des résultats identiques à ceux déduits de la méthode de Li et al. En effet, Pc(t) étant très proche de Patm, une approximation supplémentaire a été considérée:

209

( )2 2 2Patm c atm atm cP P (t) P P (t)− ≈ −

(VII -15)

Où le terme 2( ( )atm cP P t)− a été négligé.

Cette simplification conduit à l'équation approchée:

( )( )V Z

egcatm atm c

AkdP (t)= P P P t

dt η−

(VII -16)

dont la solution analytique est donnée par la forme exponentielle suivante:

( )0 expc atm c atm

tP (t)= P + P ( ) P

τ − −

(VII -17)

Où τ représente la constante de temps:

eg atm

V Zτ =

Ak P

η

(VII -18)

Grâce à cette méthode, le coefficient de perméabilité au gaz effectif des matériaux d'étanchéité keg peut être déterminé à partir d’une expérience simple et d’un traitement de données à la portée de tout laboratoire. On a montré par ailleurs que la méthode s’applique aussi à des produits où la loi de Darcy ne peut pas s’appliquer à condition de s’arrêter à la détermination de la constante de temps τ qui caractérise le temps de chute du gaz (Barral et al. 2008). Cette méthode présente donc l'intérêt de permettre une comparaison de tous les produits du marché entre eux (naturels ou synthétiques).

3. Perméabilité au gaz des GSB non déformés

La méthode en régime variable du suivi de la chute de pression présentée à la section précédente a été appliquée afin de déterminer la perméabilité effective au gaz des éprouvettes de GSB étudiés dans le chapitre V après leur saturation.

3.1. Mode opératoire

L'essai est réalisé dans les oedoperméamètres. En effet, à la fin des essais sur les transferts hydriques les chambres amont et aval des cellules contenant les éprouvettes Po GSB, Gr GSB, Po GSB 1 et Gr GSB 1 sont purgées avec de l'air comprimé.

210

Pour chaque essai une pression d'air comprimé de 10 kPa environ est appliquée dans la chambre amont. La chambre aval est ouverte et est donc à pression atmosphérique (Fig. VII-1). L’entrée d’air de la chambre amont est ensuite coupée. La diminution de la pression relative dans la chambre amont est alors enregistrée.

Dispositif expérimental pour le calcul de la perméabilité au gaz.

3.1.1 Résultats

La chute de pression relative du gaz pour les échantillons de Po GSB 1 et Gr GSB 1 jusqu'à la pression atmosphérique est présentée à la Fig. VII-2.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25 30 35Temps (heures)

P(t

)/P

(0)

Po GSB 1

Gr GSB 1

Fig. VII -1

Chute de la pression relative d'air comprimée en fonction du temps dans la chambre amont.

Entrée du Gaz

GSB

Sens d’écoulement

du gaz

Chambre aval: pression atmosphérique atmosphérique :P2

Chambre amont : pression variable P1

Fig. VII -1

211

Les courbes de chute de pression ont bien la forme d'exponentielles décroissantes; en effet, si l'on trace le logarithme de la pression relative en fonction du temps on obtient des droites de

coefficient directeur égaux à 1

τ− (Fig. VII-3).

La constante de temps τ (VII-17) est déduite après calage de la courbe de la chute de la pression. Finalement le coefficient de perméabilité effectif au gaz est calculé à partir de l'équation VI-18 (Table. VII-2) en utilisant les caractéristiques géométriques du dispositif expérimental (Table. VII-1).

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25Temps (heures)

ln(P

(t))

Po GSB 1

Gr GSB 1

Fig. VII -2

Logarithme de la pression relative en fonction du temps.

Po GSB Gr GSB Po GSB 1 Gr GSB 1 Z (m) 0.00906 0.00918 0.00902 0.00883

A (m2) 0.0491 0.0491 0.0491 0.0491

V (m3) 0.0001202 0.0001156 0.0001172 0.0000291 T (°C) 21 21 21 21

ηg(T) (Pa.s) 1.71×10-5 1.71×10-5 1.71×10-5 1.71×10-5 Patm (Pa) 99800 99800 99800 99800

Table. VII -1

Caractéristiques des échantillons de GSB et du dispositif expérimental.

212

Echantillon keg moyen (m2) ∆k

Po GSB 10×10-20 2×10-20 Gr GSB 15×10-20 4×10-20

Po GSB 1 0.7×10-20 0.2×10-20 Gr GSB 2 0.4×10-20 0.1×10-20

Table. VII -2

Valeurs de perméabilité effectives au gaz calculées en fonction des éprouvettes (∆k est l’erreur sur la mesure expérimentale).

On constate que l'erreur sur les résultats est assez grande. Cette erreur est due aux caractéristiques de la boite: le volume V de gaz est trop petit par rapport à l'épaisseur de l'éprouvette (section 6 de ce même chapitre).

Les ordres de grandeur obtenus permettent cependant de comparer ces résultats avec ceux de la bibliographie, malgré les différences entre les procédures d'essai (Fig. VII-4 et Fig.VII-5). En effet, dans les autres études présentées (Soltani 1997; Didier et al. 2000; Bouazza et al. 2002), les éprouvettes de GSB sont hydratées librement puis confinées sous 20 kPa pendant une semaine avant d'effectuer les essais de perméabilité au gaz (avec une pression de confinement de 20 kPa durant les essais).

Etude Type de GSB Masse surfacique

Ma (kg/m2) Teneur en eau

w (%) keg (m2)

Soltani (1997) Na bentonite/granulés 5 78.6 7.6×10-17 Na bentonite/granulés 5 101.8 9.8×10-18 Na bentonite/granulés 5 126.6 3.4×10-18 Na bentonite/granulés 5 153.6 1.6×10-18

Didier et al. (2000) Na bentonite/poudre 4.3 52 3×10-18 Na bentonite/poudre 4.3 56 1×10-18 Na bentonite/poudre 4.3 58 7×10-19 Na bentonite/granulés 5.3 57 2×10-18 Na bentonite/granulés 5.3 60 1×10-18 Na bentonite/granulés 5.3 67 7×10-19

Bouazza et al. (2002) Na bentonite/poudre 5-5.4 75 5×10-17 Na bentonite/poudre 5-5.4 85 1×10-16 Na bentonite/poudre 5-5.5 100 3×10-19 Na bentonite/poudre 5-5.4 110 9×10-19

Notre étude Na bentonite/poudre 5.48 130 1×10-19 Na bentonite/poudre 5.48 130 0.7×10-20 Na bentonite/granulés 4.95 150 1.5×10-19 Na bentonite/granulés 4.95 150 0.4×10-20

Table. VII -3

keg des GSB en fonction de la teneur en eau dans différentes études.

213

1E-21

1E-19

1E-17

1E-15

1E-13 0 50 100 150 200

W (%)

keg

(m2)

Didier et al. (2000)

Bouazza et al.(2002)

Notre étude

Fig. VII -3

Perméabilité des GSB contenant de la bentonite en poudre en fonction de leur teneur en eau.

1E-21

1E-19

1E-17

1E-15

1E-13 0 50 100 150 200

W(%)

keg

(m2)

Soltani (1997)

Didier et al. (2000)

Notre étude

Fig. VII -4

Perméabilité des GSB contenant de la bentonite en granulés en fonction de leur teneur en eau.

On constate que les résultats obtenus sont assez bien corrélés avec les résultats de la bibliographie; on peut aisément penser atteindre de telles perméabilités pour des teneurs en eau aussi faibles. Il y a tout de même des différences avec l'étude de Soltani. En effet, pour les éprouvettes de Gr GSB nous obtenons des valeurs plus faibles. Ces différences viennent probablement du mode de préparation des éprouvettes; en effet Soltani a immergé les GSB pendant 80 minutes sans contrainte puis les a conservés une semaine sous une contrainte de 20 kPa alors que nos éprouvettes ont été hydratées sous une contrainte de 12 kPa pendant respectivement 70 et 80 jours.

214

4. Perméabilité au gaz des GSB et de l'argile défor mée

Afin de permettre un couplage entre la déformation des matériaux d'étanchéité et leur perméabilité au gaz des essais ont été effectués dans une cellule permettant de déformer les éprouvettes de GSB et d'argile. Cette cellule créée par H. Pitanga (Pitanga 2007) a été utilisée durant cette étude pour mesurer la perméabilité au gaz de l'argile déformée.

4.1. Présentation de l'essai: appareillage et mode opératoire

Les tests sont effectués dans une cellule circulaire en inox constituée de deux parties (Ø = 46 cm) (Fig. VII-6). L'embase est munie en son fond d'une pierre poreuse déformée selon une forme qui reproduit l'effet d'un tassement différentiel des déchets (Fig. VII-7). L'éprouvette de GSB ou d'argile est placée intacte sur la pierre poreuse. Puis la deuxième partie de la cellule est une bague qui vient se placer sur l'éprouvette afin de l'immobiliser latéralement (Fig. VII-8). Une étanchéité est aussi mise en place latéralement avec de la pâte de bentonite. L'éprouvette est ensuite recouverte de sable et une contrainte est appliquée par ajout de masses afin de le déformer. Une bouteille de gaz est connectée à l'embase aux vides de la pierre poreuse. Un régulateur de pression permet de contrôler la pression du gaz. Cette cellule permet de mesurer la perméabilité au gaz d'éprouvettes intactes ou déformées en appliquant la méthode de la chute de pression. En effet, la pierre poreuse constitue un volume V pour le gaz sous pression. La face inférieure de l'éprouvette est donc en contact direct avec le gaz et la face supérieure est ouverte à l'air ambiant. Grâce à l'étanchéité latérale le gaz s'échappe uniquement au travers de l'éprouvette du matériau. Le gaz utilisé est de l’azote car celui-ci est un gaz inerte vis-à-vis de l’argile. De plus, contrairement à l'air comprimé utilisé lors des essais sur les GSB saturés (section 3. de ce même chapitre) qui était humide, l'azote ne modifie pas la teneur en eau de nos éprouvettes.

Fig. VII -5 Schéma du dispositif expérimental.

Embase en inox

Moule poreux

GSB ou disque d'argile

Sable

Entrée du gaz

Bague en inox

Contrainte normale appliquée sur l'éprouvette

Gaz s'échappant au travers de l'éprouvette

215

Fig. VII -6

Pierre poreuse.

Fig. VII -7

Cellule de tests.

4.2. Essais sur des échantillons de GSB

Les essais de perméabilité au gaz sur les GSB issu du site ont été effectués par H. Pitanga au LTHE. Les éprouvettes de GSB préalablement hydratées à des teneurs en eau différentes ont été testées dans la cellule avec de l'azote pour des déformation nulles puis pour des déformations faibles (1,3%) (Fig. VII-9; Fig. VII-10).

216

Fig. VII -8

Eprouvette de GSB lors de sa mise en place dans la cellule.

Fig. VII -9

Eprouvette de GSB déformée lors du démontage de l'essai.

1E-19

1E-18

1E-17

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

0 20 40 60 80 100 120

Moisture content (%)

k (m

2 )

This study Didier et al. (2000)Bouazza & Vangpaisal (2003) Bouazza et al. (2002)-GCL1Bouazza et al. (2002)-GCL2

Fig. VII -10

Perméabilité effective au gaz des différentes éprouvettes en fonction de leur teneur en eau pour plusieurs études. Tous les GSB ont été testés sous une contrainte normale de 20 kPa.

217

H. Pitanga a montré que les résultats de perméabilité obtenus sont similaires à ceux obtenus dans la littérature pour des essais effectués en régime permanent (Fig. VII-11) avec des éprouvettes hydratées sans contrainte. Les valeurs de keg obtenues pour de faibles teneurs en eau des GSB (60 à 75%) sont très proches les unes des autres. En revanche, pour des teneurs en eau plus élevées (94 à 100%) les écarts entre les valeurs obtenues par toutes les études sont plus grands. En effet, à forte teneur en eau, la perméabilité est plus faible et les flux de gaz mesurés en régime stationnaires sont beaucoup plus faibles, donc plus difficiles à mesurer, conduisant à des incertitudes plus grandes. Pour obtenir des débits plus grands, les expérimentateurs travaillent donc souvent à des pressions plus grandes (jusqu'à 40 kPa (Bouazza 2003)) générant des déplacements d’eau dans les pores de l’éprouvette et modifiant donc les possibilités de passage du gaz dans les pores. L'utilisation de la méthode la chute de pression a permis d'obtenir des résultats avec une excellente reproductibilité et ce malgré de très faibles écarts de pression. D'autre part la déformation des éprouvettes n'a pas eu d'effet amplificateur sur la perméabilité. En effet, la déformée imposée (1,3%) était trop faible pour endommager les éprouvettes de GSB.

4.3. Essais sur des éprouvettes d'argile

4.3.1 Caractéristiques de l'argile

Le matériau utilisé pour notre étude est de l’argile. Dans le cadre de la création d’un centre de stockage de déchets industriels une étude approfondie a été réalisée sur cette argile (Camp 2004). On présente ici ses principales caractéristiques.

Minéralogie Caractéristiques physiques et

mécaniques

Teneur en CaCO3 : 0.8 à 3.4 %

% de particules comprises entre

2 µm et 80 µm : 48 % % de particules < 2 µm : 50 %

Kaolinite : 50 %

Illite : 40 % Chlorite : 10 %

Classe GTR : A2

γ d : 17.5 à 20 kN/m3 γ h : 21 kN/ m3 wnat : 12 à 19 %

wopt : 17.5 % S : 80 à 100 % ε : 0.4 à 0.9

Module d'Young : 60 MPa Pression limite : 1.7 MPa Limite de liquidité: 46 % Limite de plasticité: 22 % Indice de plasticité: 24%

Valeur de bleu: 3.27 Indice IPI : 11 à 12

Indice CBR OPN : 12 Perméabilité à l’eau: K= 10-9 à 10 –11 m/s

Table. VII -4

Caractéristiques de l'argile utilisée lors les essais.

218

4.3.2 Préparation des éprouvettes et mise en place de l'essai

Les éprouvettes d'argile utilisées lors des essais sont de forme cylindriques. Lors de leur fabrication, tout est mis en place afin que les éprouvettes soient le plus homogène possible. L’argile est mise à la teneur en eau désirée. Elle est ensuite placée dans des sacs hermétiques et stockée pendant au moins 48h dans une salle à température constante (20°C) afin de permettre son homogénéisation. L’argile est passée au tamis 5 mm juste avant la confection de l'éprouvette, ceci afin d’améliorer l’homogénéité et afin de se rapprocher un maximum de l’aspect de l’argile mise en œuvre et compactée en couverture (diminution de la taille des macropores). Dans le cas où l’argile est compactée à des teneurs en eau fortes (w > 18%), le tamisage s’avère inutile car les agrégats à cette teneur en eau sont très facilement détruits lors du compactage. Dans le cas où l’argile présente des teneurs en eau inférieures à 18%, les mottes sont trop dures et ne sont pas détruites lors du compactage. Sans passage préalable au tamis, les éprouvettes présentent une structure avec de très nombreux macropores, ce qui n’est pas du tout représentatif de la structure de l’argile in situ résultant d’un compactage avec un compacteur type pied de mouton. La teneur en eau w du matériau étant connue, les courbes Proctor sont utilisées (Camp 2004) afin de déterminer le poids volumique sec γd à atteindre en fonction de l’énergie de compactage équivalente ec à obtenir. De plus, un moule cylindrique a été spécialement fabriqué pour permettre un double compactage de l’argile, par le haut et par le bas (Fig. VII-11) (IUT 1 de Grenoble, Département Génie Civil). La masse de matériau à introduire dans le moule et à compacter est définie connaissant le volume final de l'éprouvette la teneur en eau. On obtient ainsi des éprouvettes d’argile homogènes de dimension Ø = 45 cm et Z = 8 cm (Fig. VII-12).

219

Fig. VII -11

Dispositif de compactage de l'argile. (IUT 1 de Grenoble, Département Génie Civil)

Fig. VII -12

Eprouvette d'argile cylindrique.

Lorsque l’on regarde de plus près la surface et l’intérieur d’une éprouvette d’argile on constate qu'elle est constituée de petits grains d’argile plus ou moins agglomérés (Fig. VII-13 et Fig. VII-14). On observe aussi souvent des espaces vides entre les grains. On peut alors aisément penser que le tamisage et la compaction de l'argile engendrent des canaux préférentiels régissant l’écoulement du gaz au sein des éprouvettes d’argile. En effet, bien que l’étendue de la taille des pores capillaires d’une argile soit constituée d’une fraction de pores relativement fins, il y a tout lieu de croire que l’écoulement du gaz au travers des éprouvettes d’argile est régi par la fraction des pores les plus grossiers du réseau poreux. En effet, dans le cas d’autres milieux poreux, il a été clairement démontré qu’il existe des canaux d’écoulement continus constitués de capillaires ou de fissures (Dullien 1979). La

220

perméabilité est souvent définie par le plus grand diamètre d’entrée de pores dont la canalisation assure une continuité. La porométrie de plusieurs éprouvettes d'argile compactées avec des teneurs en eau différentes a donc été mesurée avec un porosimètre à mercure au LTHE. Sur chaque éprouvette trois prélèvements ont été effectués afin de vérifier leur homogénéité. Les résultats nous indiquent une porosité moyenne des éprouvettes d'argile égale à 0,285. De plus, sur chaque éprouvette les porosités des trois prélèvements se sont avérées très proches. Les éprouvettes préparées au moyen du tamisage et du double compactage sont donc bien homogènes.

Fig. VII -13

Surface d’un pain d’argile.

Fig. VII -14

Intérieur d’un pain d’argile.

L'éprouvette cylindrique d'argile non déformée et ensuite déposée à l'intérieur de l'embase de la cellule au dessus de la pierre poreuse. De la bentonite est déposée autour de l'éprouvette afin de garantir une étanchéité latérale entre l'éprouvette et les parois de la cellule (Fig. VII-15). La bague en inox est ensuite mise en place pour bloquer l'éprouvette sur son pourtour (Fig. VII-16). La déformation de l'éprouvette est réalisée par l'application d'une contrainte au centre de celle-ci (Fig.VII-17).

221

Fig. VII -15

Eprouvette d'argile dans la cellule munie de son étanchéité latérale.

Fig. VII -16

Cellule pendant l'essai de perméabilité.

Fig. VII -17

Application d'une contrainte au centre de l'éprouvette.

Embase de la cellule

Bague de la cellule

Etanchéité latérale: Pâte de bentonite

222

4.3.3 Résultats

La constante de temps τ (VII-17) est déduite des courbes de chute de la pression et le coefficient de perméabilité effectif au gaz est calculé à partir de l'équation VII-18 (Table. VII-6; Fig. VII-18 et Fig. VII-19) en utilisant les caractéristiques géométriques du dispositif expérimental (Table. VII-5).

Eprouvette d'argile w (%) 17.4 Z (m) 0.08 A (m2) 0.15896

Vinitial (m3) 0.011424

Vfinal (m3) 0.009874

T (°C) 23.5 ηg(T) (Pa.s) 1.77×10-5

Patm (Pa) 98700

Table. VII -5

Caractéristiques de l'éprouvette d'argile et du dispositif expérimental.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50

Temps (s)

P(t

)/P

(0)

sans déformation

contrainte = 3.2 kPa

contrainte = 5.9 kPa

Fig. VII -18

Chute de la pression relative en fonction de la contrainte appliquée sur l'éprouvette.

223

Contrainte (kPa) keg moyen (m2) ∆k (m2)

0 7×10-14 1×10-14

3.2 7×10-14 1×10-14

5.9 8×10-14 2×10-14

Table. VII -6

Calcul du coefficient de perméabilité effectif au gaz en fonction de la contrainte appliquée sur l'éprouvette (∆k est l’erreur sur la mesure expérimentale).

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

0 1 2 3 4 5 6

Contrainte (kPa)

keg

(m2)

Fig. VII -19

Perméabilité en fonction de la contrainte appliquée sur l'éprouvette.

Fig. VII -20

Apparition d'une fissure en bordure de l'éprouvette lors de l'essai pour une contrainte de 6 kPa.

Pour une contrainte appliquée égale à 6 kPa, même si des fissures sont visibles au bords de l'éprouvette (Fig. VII-20), il n'y a pas de variation significative de la perméabilité (les valeurs restent dans les barres d'erreur expérimentales). En effet, l'éprouvette d'argile s'est avérée très difficile à déformer. En surface le déplacement de la flèche au centre de l'éprouvette a été

Fissure dans l'argile

224

mesuré en fin d'essai avec une règle micrométrique. En moyenne celui-ci est égal à 2,5 mm (+/- 0,1 mm). La déformation de l'éprouvette obtenue pour 6 kPa de contrainte est donc insuffisante pour engendrer des variations dans la perméabilité au gaz de celle-ci. Pour poursuivre ce type d'essai il est donc nécessaire d'augmenter la contrainte appliquée et donc de changer le mode d'application de cette contrainte (les poids peuvent être remplacés par une presse) ou alors de diminuer l'épaisseur de l'éprouvette afin que celui-ci se déforme pour des contraintes plus faibles. Afin d'obtenir des déformations plus significatives des éprouvettes d'argile mais aussi afin de se rapprocher des conditions réelles de déformations subies par les barrières in situ, un deuxième dispositif a été créé. Celui-ci permet de déterminer la perméabilité de pains d'argile soumis à une flexion.

5. Essais de perméabilité au gaz d'éprouvettes para llélépipédiques

d'argile soumises à une flexion

Dans le cadre d’un projet relatif à une installation de stockage de déchets de classe 1 (déchets industriels spéciaux et très faiblement radioactifs) une étude approfondie de l’argile utilisée pour la couverture sommitale a été réalisée par S. Camp au LTHE (Camp 2004). Les essais expérimentaux faciles à mettre en œuvre ont été effectués au laboratoire pour caractériser le comportement de la barrière argileuse vis à vis de la flexion. En effet, l’essai de flexion est l’essai qui permet de solliciter l’éprouvette en traction sous une forme qui se rapproche le plus des sollicitations réelles des argiles de couverture des ISD. En complément de l'étude menée, nous avons donc créé un dispositif expérimental afin de coupler la mesure de la perméabilité au gaz, en utilisant la méthode de la chute de pression avec les essais de flexion de l'argile selon la méthode utilisée par S.Camp.

5.1. Présentation de l'essai: appareillage et mode opératoire

La cellule d'essai est constituée d’une boîte en plexiglas rectangulaire (L = 0,4 m, l = 0,1 m, Z = 0,1 m) sans couvercle, dans laquelle un pain d’argile est placé, surélevé sur des rouleaux en fer afin de former au dessous de celui-ci une chambre de volume V pour le gaz (Fig.VII-21; Fig.VII-22). La face inférieure de l’éprouvette est donc en contact direct avec le gaz et la face supérieure est ouverte à l’air ambiant. L’étanchéité entre le socle et les quatre côtés de la boîte est assurée par une colle spécifique. L’étanchéité entre le pain d’argile et les parois latérales de la boîte est assurée par de la pâte de bentonite. Cette pâte est souple et adhère bien à l’éprouvette, permettant d’assurer l’étanchéité même pendant la déformation de l’éprouvette qui se déplace alors le long des parois de la cellule. Un trou a été percé à la base de l’une des parois latérales pour permettre l’envoi du gaz sous pression dans la cellule étanche. Le gaz pénètre ainsi dans la boîte et peut s’échapper uniquement en passant au travers du pain d’argile.

225

Fig. VII -21

Schéma de la cellule de test.

Fig. VII -22

Cellule de test.

Le circuit assurant la mise sous pression de la cellule sous la brique d’argile a été simplifié au maximum dans un souci de limitation des fuites (au niveau des différents raccords notamment). La boîte est donc reliée à une bouteille de gaz via un manomètre (de contrôle) permettant un premier réglage de la pression (Fig. VII-23 et Fig. VII-24)). Les liaisons entre les différents éléments du circuit sont assurées par des tuyaux semi-rigides de diamètre intérieur Ø = 0,25 m. Les raccords sont effectués par l’intermédiaire d’un système « écrou + olive ». Le gaz utilisé est aussi de l’azote. Un capteur de pression relève la pression absolue à l’entrée de la boîte (erreur absolue de la mesure : +/- 170Pa) tous les 2/100ème de seconde. Il est relié à un ordinateur permettant ainsi une acquisition des données automatique durant les essais.

V

Pain d'argile

Etanchéité latérale: bentonite

Rouleaux Entrée du gaz

Gaz s'échappant au travers de

l'argile

Cellule en plexiglas

226

Fig. VII -23

Schéma représentant le dispositif pour tester la perméabilité.

Fig. VII -24

Dispositif pour tester la perméabilité.

L’essai de flexion est l’essai qui se rapproche le plus de la réalité. La flexion permet de simuler le comportement de l’argile de couverture en cas de tassement différentiel des déchets dans les Installations de Stockage de Déchets (Fig. VII-25).

Fig. VII -25

Flexion d’une couverture d'ISD due au tassement des déchets.

Déchets

Flexion Déchets

Couverture

Fissuration

227

L’essai de flexion présenté dans la norme française NFP 18407 consiste à soumettre une éprouvette prismatique d’argile à de la flexion. L’éprouvette est disposée sur deux rouleaux inférieurs distants de L’ = 3 Z (avec Z hauteur de la brique). Les deux rouleaux supérieurs sont quant à eux distants de l’ = 2 Z. Le plateau inférieur sur lequel sont fixés deux rouleaux remonte à vitesse constante et les deux rouleaux supérieurs fixes appliquent alors une force Fa sur l’éprouvette (Fig.VII-26).

Fig. VII -26

Schéma de l’essai de flexion.

Pour notre étude, les tests de flexion ont lieu dans la boîte (Fig. VII-27). En effet, les pains d’argile fissurés sont très fragiles et doivent être manipulés le moins possible. Les rouleaux inférieurs sont ainsi placés dans la boîte et espacés de L’= 3 Z. Comme le pain dépasse du moule on peut aisément effectuer la flexion. Au cours des tests de flexion, un capteur relève le déplacement de la flèche au centre en dessous de l'éprouvette et deux autres vérifient que celle-ci ne se soulève pas lors de la flexion en contrôlant son déplacement au niveau des deux appuis.

Fig. VII -27

Flexion de l’éprouvette dans la boîte.

L’= 3Z

Z= 10cm

Z= 10cm

l’ =2Z Z Z

Section

Capteurs sur les appuis

Capteur sous la flèche de l'éprouvette

Fa

228

5.2. Préparation des éprouvettes

Les éprouvettes d'argile utilisées lors des essais sont de forme parallélépipédique. Comme précédemment, tout est mis en œuvre afin d'obtenir des pains d'argile les plus homogènes possibles. Un moule rectangulaire a donc aussi été spécialement fabriqué pour permettre un double compactage de l’argile, par le haut et par le bas (Fig. VII-28 et Fig. VII-29). L’argile, préalablement mise à une teneur en eau donnée (entre 15 et 21% pour notre étude), est également passée au tamis de 0,5 mm afin de désagréger les gros amalgames. On obtient ainsi des pains d’argile homogènes de dimension L 0,4 × l 0,1 × Z 0,1 m.

Fig. VII -28

Dispositif de double compactage.

Fig. VII -29

Pain d'argile dans le moule.

229

5.3. Essais préliminaires

Avant de commencer les tests sur les pains d’argile, il faut s’assurer qu’il n’y a pas de fuite de gaz possible entre les parois de la boîte ainsi que le long des cotés du pain d’argile. L’étanchéité latérale est assurée par de la pâte de bentonite déposée sur plusieurs centimètres à l’interface entre le plexiglas de la boîte et l’argile (Fig. VII-30).

Fig. VII -30

Bentonite à l'interface entre le plexiglas et l'argile.

La pâte de bentonite est tout de même un matériau poreux et il faut donc vérifier que les fuites au travers de cette pâte sont faibles voire négligeables. Pour cela, on fait un test de perméabilité en recouvrant le dessus et le dessous du pain d’argile par un matériau bitumineux qui sert à étancher les toitures (Fig. VII-31). L'ajout de ce matériel bitumineux entraîne une diminution considérable du flux de gaz au travers du pain d’argile, tout en conservant la même étanchéité de pourtour. L’objectif est de vérifier que le flux de gaz dans ces conditions, majoritairement due aux fuites par les côtés du pain d’argile au travers de la bentonite ainsi qu'au travers de la colle entre les parties de la boite en plexiglas, est négligeable devant celui mesuré avec le pain d’argile en condition d’essai normal.

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

Temps (min)

Pre

ssio

n (k

Pa)

Fig. VII -31

Fuites au travers de la bentonite et de la colle.

230

D’après les résultats obtenus on peut penser que les fuites sont énormes au travers de la bentonite. Pourtant, en ramenant ces fuites à l’échelle de temps de nos expériences (c'est-à-dire quelques secondes comme on le verra à la section 3.2.3), on trouve une fuite du gaz au travers de la bentonite comprises entre 5 Pa (lorsque le temps de chute de la pression relative au travers de l'argile est proche de la seconde) et 200 Pa (lorsque le temps de chute est de 50 s). Ces valeurs correspondent à l'incertitude du capteur de pression. A partir de cette courbe, si l'on calcule le coefficient de perméabilité de l'ensemble "bentonite + colle" on trouve kbentonite+colle= 1×10-15 m2

. Comme nous le verrons par la suite, ce résultat est très faible comparé à la perméabilité des pains d'argile obtenue (keg~10-12 m2).

17

17.5

18

18.5

19

19.5

20

20.5

21

21.5

0 10 20 30 40 50 60

Temps (heures)

Pre

ssio

n (k

Pa)

Fig. VII -32

Fuites de gaz au niveau des branchements. Les joints ne sont pas les seuls points sensibles du système, d’autres paramètres peuvent être vecteurs de résultats erronés. Malgré toutes les précautions prises lors du raccordement des différents tuyaux, il peut y avoir des fuites de gaz au niveau des branchements. On teste donc l’ensemble « tuyaux + branchements » (Fig. VII-32). On constate alors que ramené à nos temps d'expérience, les fuites de gaz au niveau des branchements sont négligeables. Avant chaque essai, la température de la pièce est relevée afin d'effectuer une correction sur la viscosité du gaz utilisé. Mais lors des essais la température de la pièce peut varier et avoir ainsi une influence sur la pression du gaz à l’intérieur de la boîte. On peut donc se demander si les variations de température ne vont pas modifier trop grandement les résultats obtenus ? La réponse nous est donnée si l’on considère les durées des expériences. En effet, comme on le verra dans la section 3.2.3, avec les pains d’argile la chute de pression dans la boîte est extrêmement rapide (quelques secondes au maximum). La variation de température au cours d’un temps si bref est infime voire nulle.

231

Une fois tous les éléments du dispositif expérimental assemblés et testés, les essais sur les pains d’argile intacts peuvent commencer. Le protocole général de test est retranscrit à travers les étapes suivantes :

• Vérification de l’ouverture de la vanne. • Ouverture de la bouteille de gaz puis augmentation de la pression du gaz dans la

cellule en dessous de l’éprouvette jusqu’à ce que celle-ci dépasse la valeur souhaitée (le plus souvent 5 kPa ou 4 kPa) de 0,3 kPa environ.

• Fermeture de la vanne. Le gaz fuit au travers de l’éprouvette d’argile, la pression dans la cellule diminue au fil du temps jusqu’à ce qu’elle atteigne la valeur de la pression atmosphérique.

• Arrêt de l’enregistrement des données.

5.4. Perméabilité des éprouvettes d'argile intactes

La chute de la pression relative du gaz jusqu'à la pression atmosphérique est présentée aux Fig. VII-33 et VII-35. Sur chaque figure plusieurs tests indépendants ont été effectués sur la même éprouvette. Sur les Fig. VII-33 et VII-34 on constate tout d’abord que les courbes ont bien la forme d’une

exponentielle décroissante. En effet, des droites de coefficient direction 1

τ− sont bien

obtenues lorsque l'on trace le logarithme de la pression relative en fonction du temps. De plus, lorsque l’on effectue plusieurs tests pour un même P0 les courbes obtenues se chevauchent parfaitement. Il y a donc une bonne répétitivité des résultats. Sur la Fig. VII-33 on observe aussi des irrégularités dues au bruit dans les valeurs obtenues. L’erreur absolue des mesures relevées par le capteur étant de +/- 170Pa, il serait donc préférable de ne pas utiliser les valeurs de pression inférieures à 0,2 kPa pour les calculs de perméabilité ultérieurs. Une autre constatation importante concerne la durée de l’expérience. En effet, la chute de pression s’effectue dans un temps très court, moins d’une seconde. Comme l'intervalle d'acquisition du capteur de pression est lui aussi très faible (2/100ème de seconde) on possède malgré tout un nombre de mesures correct. En effet, la chute de pression la plus rapide enregistrée lors des essais est de 1,2 s ce qui correspond à 60 points sur la courbe. Lorsque l’on compare les graphes obtenus pour différentes valeurs de pression initiale P0 = 7 kPa, P0 = 5 kPa, P0 = 4 kPa, P0 = 3 kPa et P0 = 2 kPa, on constate que plus P0 est petit, plus la plage de valeurs exploitables diminue (Fig. VII-35). Pour la détermination du coefficient de perméabilité au gaz on se limitera donc aux courbes obtenues pour P0 = 5 kPa et P0 = 4 kPa.

232

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14

Temps (s)

Pre

ssio

n (k

Pa)

Test 1

Test 2

Test 3

Fig. VII -33

Plusieurs tests pour une même pression initiale pour une même éprouvette.

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Temps (s)

ln (

P(t

))

Test 1

Test 2

Test 3

Fig. VII -34

Logarithme de la pression relative en fonction du temps tracé pour les tests précédents.

Irrégularités

233

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Temps (s)

Pre

ssio

n (k

Pa)

P0=1.8 kPa

P0=3.0 kPa

P0=3.9 kPa

P0=5.2 kPa

P0=6.8 kPa

Fig. VII -35

Tests pour différentes pressions initiales pour une même éprouvette. Les essais sont effectués sur plusieurs pains d'argile ayant des teneurs en eau différentes. On observe alors un temps des temps de chute de pression allant de 1.3 s pour l'éprouvette la plus sèche à prés de 45 s pour l'éprouvette la plus humide (Fig. VII-36 et Fig. VII-37).

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temps (s)

P(t

)/P

0

W = 15.5%

W = 15.8 %

W = 17.4 %

W = 18.1 %

w = 19.7 %

W = 21.7 %

Fig. VII -36

Tests pour différentes teneurs en eau.

234

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5

Temps (s)

P(t

)/P

0

W = 15.5%

W = 15.8 %

W = 17.4 %

W = 18.1 %

w = 19.7 %

Fig. VII -37

Tests pour différentes teneurs en eau (zoom sur les cinq premières secondes).

La constante de temps τ (VII-17) est déduite des courbes de chute de la pression relative (durée minimale de l'expérience 1,3 secondes correspondant à 70 points de mesure). Finalement le coefficient de perméabilité effectif au gaz est calculé à partir de l'équation VII-18 (Table. VII-8 et Fig. VII-38) en utilisant les caractéristiques géométriques du dispositif expérimental (Table. VII-7).

Eprouvette d'argile 1 2 3 4 5 6 w (%) 15.5 15.8 17.4 18.1 19.7 21.1 Z (m) 0.1031 0.104 0.1017 0.102 0.102 0.1053 A (m2) 0.04184 0.04141 0.04057 0.041 0.04 0.0413 ε 0.287 0.288 0.279

V (m3) 0.0032579 0.0032579 0.0032579 0.0032579 0.0032579 0.0032579 T (°C) 20.5 18 20 17.5 17.5 26

ηg(T) (Pa.s) 1.76×10-5 1.75×10-6 1.76×10-7 1.75×10-8 1.75×10-9 1.78×10-10 Pa (Pa) 99800 99200 98600 99800 98200 98400

Table. VII -7

Caractéristiques des pains d'argile et du dispositif expérimental.

235

w (%) keg moyen (m

2) ∆k (m2) 15.5 5.3×10-12 1×10-12 15.8 4.7×10-12 1×10-12 17.4 2.4×10-12 0.5×10-12 18.1 1.1×10-12 0.3×10-12 19.7 1.4×10-12 0.3×10-12 21.1 0.13×10-12 0.03×10-12

Table. VII -8

Valeurs de perméabilité calculées en fonction des teneurs en eau des pains d'argile (∆k est l’erreur sur la mesure expérimentale).

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

14 15 16 17 18 19 20 21 22

W (%)

keg

(m2)

Fig. VII -38

Perméabilité des pains d'argile en fonction de leur teneur en eau.

La perméabilité est plus élevée lorsque la teneur en eau diminue. En effet, plus l'éprouvette est sèche, plus les pores de petites tailles vont être désaturés. Les pores sont alors mieux interconnectés et il y aura au sein de l'éprouvette plus de chemins préférentiels, moins tortueux, pour le passage du gaz et donc une perméabilité plus forte.

5.5. Perméabilité des éprouvettes d'argile fléchies

Après avoir effectué plusieurs tests de perméabilité sur l'éprouvette d'argile intacte, on lui fait subir un test de flexion. Pour cela les opérations suivantes sont effectuées : • Début de l’enregistrement du déplacement des capteurs. • Flexion du pain d'argile pendant 2 minutes avec une vitesse de remontée du plateau de

0,2 mm/min. • Arrêt de l’enregistrement des données.

236

Les essais sont effectués sur trois éprouvettes de teneurs en eau égales à 15,8%, 18,1% et 19,7%. La chute de la pression en fonction du temps pour plusieurs déformations de chaque éprouvette est alors enregistrée (Fig. VII-39; Fig. VII-40; Fig. VII-41). On constate de manière générale que plus les éprouvettes sont fléchies, plus la chute de la pression se fait de manière rapide. Plus la teneur en eau du pain d'argile augmente, plus les courbes représentant la chute de la pression sont étalées. En effet, la fissuration pour les éprouvettes plus sèches se fait de manière assez brutale.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Temps (s)

P(t)

/P0

Dépl = 0 mm

Dépl = 0.005 mmDépl = 0.08 mm

Dépl = 0.5 mm

Dépl = 1.1 mm

Dépl = 1.8 mmDépl = 2.3 mm

Fig. VII -39

Chute de la pression en fonction du temps pour plusieurs déformations en flexion du pain d'argile à w = 15,8%.

237

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5

Temps (s)

P(t)

/P0

Dépl = 0 mm

Dépl = 0.04 mm

Dépl = 0.36 mm

Dépl = 0.99 à 1.27 mm

Dépl = 1.35 mm

Dépl = 1.85 mm

Fig. VII -40

Chute de la pression en fonction du temps pour plusieurs déformations en flexion du pain d'argile à w = 18,1%.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5

Temps (s)

P(t)

/P0

Dépl = 0 mm

Dépl = 0.12 mmDépl = 0.39 à 0.61 mm

Dépl = 0.96 à 1.6 mm

Dépl = 2.1 mm

Dépl = 2.6 mmDépl = 3.1 mm

Fig. VII -41

Chute de la pression en fonction du temps pour plusieurs déformations en flexion du pain d'argile à w = 19,7%.

On cherche maintenant à comparer la chute de la pression pour une même déformation mais pour des teneurs en eau différentes (Fig.VII-42; Fig. VII-43; Fig. VII-44). Pour toutes les valeurs de déplacement de la flèche, il y a une nette différence entre l'échantillon à 15 % de teneur en eau et les deux autres éprouvettes plus humides. Pour des teneurs en eau relativement élevées des pains d'argile (18,1 % et 19,7 %) les courbes représentant la chute de la pression sont confondues pour les faibles déformations. En effet, la

238

quantité d'eau contenue dans le pain d'argile modifie la mobilité du gaz dans le matériau; une éprouvette plus humide présentera des pores occupés par l'eau et aura une perméabilité au gaz plus faible qu'un matériau sec.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5

Temps(s)

P(t)

/P(0

)

15.8%

18.1%

19.7%

Fig. VII -42

Chute de la pression en fonction du temps pour les éprouvettes non déformées à différentes teneurs en eau.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5

Temps(s)

P(t)

/P(0

)

15.80%

18.10%

19.70%

Fig. VII -43

Chute de la pression en fonction du temps pour les éprouvettes déformées (flèche de 0,9mm) à différentes teneurs en eau.

239

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5Temps(s)

P(t)

/P(0

)

15.80%

18.10%

19.70%

Fig. VII -44

Chute de la pression en fonction du temps pour les éprouvettes déformées (flèche de 1,8mm) à différentes teneurs en eau.

En revanche pour des déformations plus grandes la chute de la pression s'effectue de manière plus rapide pour l'éprouvette à 18,1 % de teneur en eau. Comme précédemment la constante de temps τ (VII-17) est déduite des courbes de la chute de la pression et le coefficient de perméabilité effectif au gaz est calculé à partir de l'équation VII-18 pour chaque pain d'argile (Table. VII-9; Fig. VII-45).

0

5E-12

1E-11

1.5E-11

2E-11

2.5E-11

3E-11

3.5E-11

0 1 2 3 4

Déplacement de la flèche (mm)

keg

(m2)

W = 15.8 %

W = 18.1 %

W = 19.7 %

Fig. VII -45

Perméabilité des pains d'argile à différentes teneurs en eau en fonction de leur flexion.

Apparition d'une fissure

240

Déplacement de la flèche (mm) keg moyen (m2) ∆k (m2)

w = 15.8 % 0 5×10-12 1×10-12

0.00495 6×10-12 1×10-12 0.07835 6×10-12 1×10-12

0.48285 * 7×10-12 1×10-12 0.67825 7×10-12 2×10-12 1.10965 7×10-12 2×10-12 1.43225 7×10-12 2×10-12 1.76655 7×10-12 2×10-12 2.28585 21×10-12 5×10-12

w = 18.1 % 0 1.1×10-12 0.2×10-12

0.04224 1.2×10-12 0.3×10-12 0.35625 1.4×10-12 0.3×10-12

0.98453 * 1.6×10-12 0.4×10-12 1.26984 1.7×10-12 0.4×10-12 1.34756 1.7×10-12 0.4×10-12 1.84723 2.6×10-12 0.6×10-12 2.56037 12×10-12 3×10-12

w = 19.7% 0 1.4×10-12 0.3×10-12

0.11491 1.4×10-12 0.3×10-12 0.27539 1.7×10-12 0.4×10-12 0.39185 1.8×10-12 0.4×10-12 0.61213 1.8×10-12 .4×10-12 0.95696 1.9×10-12 0.4×10-12

1.59106 * 1.9×10-12 0.4×10-12 2.07653 2.3×10-12 0.5×10-12 2.57575 3.3×10-12 0.7×10-12 3.06311 4.1×10-12 0.9×10-12 3.58212 30 ×10-12 7×10-12

* Apparition d'une fissure

Table. VII -9

Calcul de la perméabilité en fonction de la flexion des éprouvettes à 15,8 %, 18,1 %et 19,7 % de teneur en eau (∆k est l’erreur sur la mesure expérimentale).

On constate que l’augmentation de la perméabilité est retardée lorsque la teneur en eau augmente. De plus, l’augmentation de perméabilité se produit après l’initiation de la fissure. La fissuration n’a donc initialement pas d’influence sur la perméabilité et il faut attendre une certaine propagation et ouverture de la fissure pour voir des répercutions sur la perméabilité de l’éprouvette (Fig. VII-46).

241

Déplacement de la flèche = 0.483 mm. Déplacement de la flèche = 0.678 mm.

Déplacement de la flèche = 1.11 mm. Déplacement de la flèche = 1.77 mm (augmentation de la perméabilité)

Déplacement de la flèche = 2.52 mm.

Fig. VII -46

Apparition et évolution de la fissure lors de l'essai de flexion de l'éprouvette à 15,8%.

242

S. Camp a étudié plus en détail le comportement mécanique des pains d'argile lors de leur flexion. Lors de ses essais l’évolution de la flèche au niveau de la zone en traction (f) en fonction de la force appliquée F est enregistrée. Ces courbes permettent de définir: Fi, fi, εi : respectivement la force à l’initiation de la fissure, la flèche et la déformation de la fibre tendue correspondantes. D’une manière générale, S. Camp a regardé l’influence de la teneur en eau et du poids volumique sec pour l’ensemble des essais réalisés (Fig. VII-47; VII-48; VII-49).

Fig. VII -47

Essais de flexion : Evolution de la force maximale en fonction du poids volumique sec et de la teneur en eau.

Fig. VII -48

Essais de flexion : Evolution de la flèche à l’initiation de la fissure en fonction du poids volumique sec et de la teneur en eau.

Fig. VII -49

Essais de flexion : Evolution de la déformation à l’initiation de la fissure en fonction du poids volumique sec et de la teneur en eau.

-500

-400

-300

-200

-100

0

12% 14% 16% 18% 20%

w (%)

-500

-400

-300

-200

-100

0

17.0 17.2 17.4 17.6 17.8 18.0

γγγγd (kN/m 3)

Fm

ax (

N)

-160

-120

-80

-40

0

17.0 17.2 17.4 17.6 17.8 18.0

γγγγd (kN/m 3)

f i (1

/100

mm

)

-160

-120

-80

-40

0

12% 14% 16% 18% 20%

w (%)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

17.0 17.2 17.4 17.6 17.8 18.0

γγγγd (kN/m 3)

εε εε i (%

)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

12% 14% 16% 18% 20%

w (%)

243

La force maximale │Fmax│ augmente lorsque le poids volumique sec augmente (Fig. VII-47). La flèche │f i│ et la déformation de la fibre tendue εi à la fissuration augmentent lorsque la teneur en eau augmente (Fig. VII-48 et Fig. VII-49). Aucune relation entre la force et la teneur en eau ainsi qu'entre la flèche et le poids volumique sec n’est mise en évidence. Ainsi, il semble que les forces soient principalement régies par le compactage (poids volumique sec) tandis que les déformations dépendent principalement de la teneur en eau. Si l'on compare les valeurs des flèches des éprouvettes lors de l'apparition des fissures obtenues pour notre étude avec celles obtenues par S. Camp (Fig. VII-50), on constate que pour des faibles teneurs en eau celles-ci sont proches alors que pour des teneurs en eau plus élevées les pains d'argile de notre étude se fissurent pour des déformations plus grandes.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

10 12 14 16 18 20 22

W (%)

Flè

che

de l'

écha

ntill

on lo

rs d

e l'a

ppar

ition

de

la fi

ssur

e (m

m) S. Camp

Notre étude

Fig. VII -50

Comparaison des valeurs des flèches des éprouvettes lors de l'apparition des fissures obtenues pour notre étude avec celles obtenues par S. Camp.

La cellule en plexiglas ainsi que l'étanchéité effectuée avec la pâte de bentonite, utilisées dans notre étude, maintiennent donc les éprouvettes et leur permettent de supporter des flexions plus grandes avant de se fissurer. Il apparaît donc difficile de corréler plus en avant les deux études.

6. Validation de l'approche théorique simplifiée

6.1. Avec le calcul de δ

Le domaine de validité de la solution (VII-14) de l'équation simplifiée est donné par le cœfficient δ sans dimension (VII-6). δ << 1 pour que la solution (VII-14) soit obtenue avec une erreur négligeable.

244

Un δmoyen a donc été calculé a posteriori pour les éprouvettes dont la porosité a été déterminée par porométrie à partir des coefficients de perméabilité keg trouvés avec la théorie simplifiée. On constate que δmoyen<1 pour tous nos essais. δmoyen n’est cependant pas très inférieur à 1; une étude numérique plus précise est donc nécessaire pour justifier la simplification de l’équation.

w (%) ε δmoyen 15.8 0.277 0.19 18.1 0.284 0.18 19.7 0.279 0.17

Table. VII -10

Calcul de δmoyen pour différents essais.

6.2. Avec l'aide d'un outil numérique

L'étude numérique présentée dans cette section est utilisée pour déterminer la validité de la solution approximée (VII-17). Cette étude a été réalisée par L. Oxarango au LTHE (Barral 2008b). En effet, deux conditions sont requises pour approximer à un modèle exponentiel la chute de pression dans une chambre:

• la fonction 2( , )P z t est remplacée par une fonction linéaire en z;

• La porosité du matériau n'est pas prise en compte dans les calculs. On doit donc vérifier que ces deux approximations n'entraînent que des erreurs acceptables dans les résultats obtenus. Cette étude numérique a permis de résoudre l'équation (VII-2) décrivant le flux de gaz compressible au travers d'un milieu poreux, et de comparer le coefficient de perméabilité réel obtenu k au coefficient de perméabilité obtenu avec l'approche simplifiée kfit. A une dimension, le problème est discrétisé par éléments finis avec un schéma implicite du second ordre pour l'espace et un schéma du second ordre Crank-Nicholson pour le temps. La dépendance non linéaire de la pression en z est représentée par la méthode itérative de Newton-Raphson. La condition initiale est une pression uniforme Pc(0) dans le milieu. Les dimensions physiques utilisées pour simuler les essais en régime variable où l'on mesure la chute de la pression sont celles issues de l'expérience avec les pains d'argile (Table. VII-6).

6.2.1 la fonction 2( , )P z t est remplacée par une fonction linéaire en z

L'évolution de la pression P(z,t) au travers du domaine poreux pour différents temps est présentée à la Fig. VII-51. La pression initiale est de 400 kPa.

245

Même si la présence d'un comportement non linéaire est évidente, ce dernier se produit pour des gradients de pression beaucoup plus élevés que ceux utilisés dans nos essais (P0

= 5 kPa). P(z,t) peut donc être assimilée à une fonction linéaire en z pour des temps suffisamment grands t > 0,1 s (on rappelle que durant nos essais les temps d'expériences sont tous > 1,3 s):

( , ) ( ) ( )P z t x t z y t= +

(VII -19)

dont le coefficient directeur x(t) est faible. Par conséquent, la fonction P2(z,t) est linéaire en z:

2 2( , ) 2 ( ) ( ) ( )P z t x t y t z y t+≃

(VII -20)

De plus, la variation de la pression initiale dans le domaine 2 kPa ≤ P0(t) ≤ 6 kPa n'affecte que de 3 % la valeur de la perméabilité kfit calculée à partir de notre approximation (Fig. VII-52). La fonction 2( , )P z t peut donc bien être remplacée par une fonction linéaire en z et ceci pour une large gamme de gradients de pression.

Fig. VII -51

Evolution de la pression Pc au travers du domaine poreux pour différents temps.

246

Fig. VII -52

Impact de l'augmentation de la pression initiale sur les valeurs de perméabilités.

6.2.2 La porosité du matériau n'est pas prise en compte dans les calculs

La porosité du matériau n'est pas prise en compte dans les calculs car la solution exponentielle est basée sur le bilan massique du gaz dans la chambre (VII-10). L'effet d'une augmentation de la porosité sur la valeur de perméabilité obtenue kfit est présenté sur la Fig. VII-53. Lorsque le volume des pores augmente, la dissipation de la pression se fait de manière plus lente dans la chambre. L'impact sur la valeur de la perméabilité obtenue est alors important. On peut déterminer l'écart entre les valeurs de perméabilités obtenues avec la solution simplifiée kfit et avec la résolution numérique de l'équation (VII-2):

100eg fit

eg

k kSD

k

−=

(VII -21)

Où kfit est la valeur de la perméabilité effective au gaz obtenue en utilisant la solution

simplifiée (VII-17) et (VII-18); keg est la valeur de la perméabilité effective au gaz obtenue en résolvant numériquement l'équation (VII-2).

La déviation standard SD passe de 4,51% pour une porosité du matériau égale à 0,1 à 28,8% pour une porosité de 0,9.

247

Fig. VII -53

Effet de l'augmentation de la porosité sur la perméabilité.

La Fig. VII-54 présente la déviation SD en fonction du ratio Rv entre le volume des pores et le volume de la chambre.

V

εAZR =

V

(VII -22)

Si l'on tient compte des caractéristiques géométriques du dispositif expérimental utilisé ainsi que des caractéristiques des éprouvettes d'argile, on trouve un coefficient Rv < 0.36. L'erreur associée à l'utilisation de la solution simplifiée est donc limitée à 10%. Cette erreur est acceptable pour tous nos essais dans les différentes cellules de test car elle est inférieure à l'erreur expérimentale calculée pour chaque essai.

248

Fig. VII -54

Déviation SD en fonction du ratio Rv.

7. Conclusion

Ce chapitre concerne l'étude expérimentale effectuée en laboratoire sur la mesure de la perméabilité au gaz des matériaux d'étanchéités en utilisant la méthode en régime variable de la chute de la pression. Après avoir détaillé le principe de cette méthode, celle-ci a été appliquée pour des éprouvettes d'argile et de GSB intacts de géométries diverses. Les dispositifs expérimentaux créés permettent aussi de déformer les éprouvettes afin de les placer dans les conditions de matériaux soumis au tassement différentiel sur un site. Les courbes de chute de pression d'azote en fonction du temps de l'essai ont montré une bonne répétabilité pour chaque type d'éprouvette testé. Les résultats obtenus avec les GSB peuvent être corrélés aux résultas obtenus par d'autres études en régime permanent. Les résultats obtenus avec l'argile déformée ont montré qu'il faut atteindre une certaine propagation et ouverture de la fissure pour voir des répercutions sur la perméabilité de l’éprouvette. Au travers des essais on a montré par ailleurs que cette méthode s’applique aussi à des produits différents: argile compactée ou GSB. Cette méthode présente donc l'intérêt de permettre une comparaison de tous les produits du marché entre eux. La validation de cette approche simplifiée de l'écoulement gazeux a ensuite été effectuée pour les caractéristiques géométriques des dispositifs expérimentaux utilisés avec l'aide d'un outil numérique. Les résultats expérimentaux obtenus au cours de ce travail certifient l'intérêt et la validité de la méthode proposée. En effet cette méthode donne des résultats similaires à ceux obtenus en régime permanent tout en gagnant en temps, en simplicité de mise en œuvre et en obtenant une meilleure précision à forte saturation des GSB.

249

Chapitre VIII :

Casiers pilotes: l'échelle intermédiaire

250

251

GSB 5 kg/m2

30 cm

Geocomposite de drainage

40 cm

Déchets

Terre végétale

Tout venant

Tout venant 40 cm

1. Introduction

Les six pilotes reconstituant un complexe de couverture d’installation de stockage de déchets ménagers sont localisés sur la plateforme EEDEMS à l’INSA de Lyon. Ce dispositif expérimental vient en complément de l'étude menée in situ sur le site de Chatuzange-le-Goubet. Il permet de palier le manque de certaines données difficiles à atteindre lors d'expérimentations à grandes échelles de ce type. Ce chapitre présente les objectifs des essais en pilotes ainsi que leur mise en place. Une dernière partie présente les résultats obtenus entre janvier et juillet 2008.

2. Principe

2.1. Description des pilotes

Ces pilotes sont constitués chacun d’un bac en Polyéthylène Haute Densité rectangulaire de dimensions 1,2 m × 0,8 m sur 1 m de haut. Ils sont protégés latéralement par un isolant et l’étanchéité entre les bacs est assurée par une membrane en PVC. A l'intérieur de quatre pilotes, le complexe de couverture reconstitué est identique à la couverture définitive du casier C de l’ISD « Les Petits Pourcieux » à Chatuzange-le-Goubet. Les pilotes sont donc constitués de bas en haut par: un géodrain, un Géosynthétique Bentonitique de 5 kg/m2 contenant de la bentonite sodique naturelle, un autre géodrain, une couche de tout venant de 40 cm, une couche de terre végétale de 30 cm (Fig. VIII-1).

Configuration de la couverture définitive de l’alvéole.

Au sein de ces quatre pilotes, deux géosynthétiques bentonitiques sont testés (bentonite en poudre et bentonite en granulés) pour deux hydratations initiales différentes (teneur en eau de réception du GSB et hydratation du GSB).

Fig. VIII -1

252

Enfin, les deux derniers pilotes reconstituent une couverture contenant des matériaux calcaires. Là aussi les deux types géosynthétiques bentonitiques pré-hydratés sont testés. Sur chaque pilote, nous pouvons contrôler les infiltrations de l'eau de pluie à tous les niveaux de la couverture. En effet, un système de récupération des eaux a été installé à trois niveaux (Fig.VIII-2):

• au niveau du géodrain situé sous le GSB; • au niveau du géodrain situé sur le GSB; • en surface, par le biais d'une gouttière qui récolte l'eau ruisselante.

Schéma d’un pilote comportant toutes les couches de la couverture.

L’étanchéité entre les bacs et les tuyaux d'évacuation des eaux est assurée par des passe-parois. Des mesures de teneur en eau sont aussi effectuées dans le complexe de couverture à différentes profondeurs le long d'un profil vertical au moyen d'une sonde de profil PR2 (Delta T).

2.2. Objectifs des essais en pilotes

Le contrôle des infiltrations d'eau permet l'étude de plusieurs phénomènes:

• Tout d'abord cette expérimentation permet d'effectuer un bilan de masse complet de la couverture. En effet, en mesurant les volumes d'eau récoltés aux différents niveaux et en les comparant à la pluviométrie nous pourrons évaluer la pluie efficace qui s'infiltre réellement au sein du complexe de couverture et la quantité d’eau infiltrée qui traverse le système d'étanchéité.

Tout venant 40 cm

Terre végétale 30 cm

Réservoir

Géodrain

GSB

Bac rectangulaire

Eau qui ruisselle sur la couverture

Eau qui s’infiltre dans la couverture

253

• De plus, des analyses chimiques sont effectuées sur l’eau collectée à chaque interface de la couverture afin d’étudier le comportement des couvertures, et plus particulièrement de suivre les échanges cationique au sein du GSB, en fonction de la composition des eaux de percolation.

• Finalement, ce dispositif offre aussi la possibilité d'accélérer le processus de

vieillissement de la couverture par augmentation des gradients hydrauliques qui s'appliquent sur le GSB grâce à un système de vannes et permet ainsi d’évaluer la durabilité de performance de la couverture.

3. Mise en place

La mise en place du dispositif expérimental s'est déroulée en deux phases.

3.1. 1ère phase : préparation des bacs en dehors de la plateforme expérimentale

Cette première phase est constituée:

• du perçage des différents orifices et de l'installation des raccords pour chaque bac. Le premier raccord est situé sous le bac dans l'angle (Raccord n°1) et le deuxième (Raccord n°2) sur le coté du bac au niveau du géodrain placé sur le GSB (Fig. VIII-3).

• du transport des bacs sur la plateforme EDEEMS et de la protection de l’ensemble

contre la pluie (couvercle) en attendant la livraison des matériaux du site (tout venant et terre végétale).

Schéma des raccords (vue en coupe).

1

2

3

Remblai

Gouttière

Réservoirs

Raccord n°2

Parpaing

Cale

Fig. VIII -3

254

3.2. 2ème phase : Installation des pilotes sur la plateforme

La deuxième phase est la phase de mise en place des bacs. Ceux-ci sont déposés sur des parpaings suivant le schéma suivant (Fig. VIII-4 et VIII-5). Des cales de différentes tailles placées sous les pieds des bacs permettent de créer la pente de 2%. Les géodrains et les GSB sont ensuite installés au fond des bacs et munis d'une étanchéité latérale (pâte de bentonite) (Fig. VIII-6). Les bacs sont remplis avec les différents matériaux. Un compactage est effectué par couches de 20 cm (Fig. VIII-7). Lors de cette opération, les tubes pour la sonde de profil sont installés dans les différents sols (Fig.VIII-8 et VIII-9). Les pilotes 1, 2, 4 et 5 sont constitués avec le tout venant et la terre végétale issus du site. Les pilotes 1 et 4 contiennent respectivement le Po GSB et le Gr GSB à teneur en eau de réception. Les pilotes 2 et 5 contiennent le Po GSB et le Gr GSB pré-hydratés lors de leur pose. Enfin, les pilotes 3 et 6 sont constitués du bicouche « Terre végétale + Sol calcaire ». Le pilote 3 contient le Po GSB pré-hydraté et le pilote 6 le Gr GSB pré-hydraté.

Schéma de la zone expérimentale sur la plateforme EEDEMS (vue de dessus).

Pilote 1: Po GSB sec + bicouche « Terre végétale + Tout venant »; Pilote 2: Po GSB pré-hydraté + bicouche « Terre végétale + Tout venant »; Pilote 3: Po GSB pré-hydraté +

bicouche « Terre végétale + Sol calcaire »; Pilote 4: Gr GSB sec + bicouche « Terre végétale + Tout venant »; Pilote 5: Gr GSB pré-hydraté + bicouche « Terre végétale + Tout venant »;

Pilote 6: Gr GSB pré-hydraté + bicouche « Terre végétale + Sol calcaire ».

Collecte eaux drainées sur et sous le GSB

3.6 m

Collecte eaux drainées sur et sous le GSB

1.6 m Pilote 1

Pilote 4

Pilote 2

Pilote 5

Pilote 3

Pilote 6

Gouttière

Pente du pilote

Collecte eau qui ruisselle

Fig. VIII -4

255

Les deux regards sont ensuite créés (Fig. VIII-10) et les réservoirs installés pour récolter les eaux. Du remblai est mis en place autour des pilotes avec une mini-pelle afin de créer une butte qui maintiendra et protègera les pilotes (Fig. VIII-11).

Préparation de la zone support des bacs et mise en place des bacs sur les parpaings.

(a) (b)

Installation des GSB et étanchéité latérale. (a) Gr GSB (b) Po GSB

Fig. VIII -5

Fig. VIII -6

256

Mise en place du géodrain et remplissage des bacs avec le tout venant.

Mise en place de la terre végétale et du matériau calcaire ainsi que des tubes pour la sonde de profil hydrique.

Vue d'ensemble avec gouttière latérale.

Fig. VIII -7

Fig. VIII -8

Fig. VIII -9

257

Création et isolation des regards qui accueilleront les réservoirs d'eau.

Création de la butte et casiers expérimentaux engazonnés.

4. Paramètres suivis lors de la mise en place du di spositif

expérimental

Deux paramètres sont attentivement suivis lors de l'installation des pilotes afin qu'ils n'interviennent pas comme facteurs d'influence dans les expérimentations futures.

Fig. VIII -10

Fig. VIII -11

258

4.1. Pente

La pente imposée au dispositif et permettant l'évacuation des eaux est de 2%. Cette pente est inférieure à la pente observée sur le site (environ 5%) mais à l'échelle des pilotes de telles pentes ne sont pas souhaitées car elles pourraient causer un ravinement des matériaux mis en place. La pente est créée initialement en disposant des cales de différentes hauteurs sous les pieds des bacs. Cette pente est ensuite conservée pendant le remplissage des bacs en contrôlant la hauteur de chaque matériau lors de leur mise en place.

4.2. Compactage des matériaux

Le suivi du compactage des matériaux est effectué de deux manières:

• par prélèvement d'échantillons non remaniés; • par mesure de la résistance à la pénétration.

4.2.1 Prélèvements d'échantillons de matériaux compactés non remaniés (carottage)

Les carottes d'échantillons non remaniés permettent de connaître la teneur en eau et la densité des matériaux mis en place (Table. VII-1).

Matériau N° bac w (%) ρd (kN/m 3) ρh (kg/m 3)

Tout venant 1 2.74 1504.60 1579.77 4 1.66 1432.40 1510.79 5 2.25 1597.75 1660.56

Calcaire 3 4.58 1315.30 1466.99 Terre Végétale 1 6.26 1338.10 1501.82

2 7.03 1464.86 1644.68

Table. VIII -1

Caractéristiques de mise en place des matériaux de couverture.

4.2.2 Mesure de la résistance à la pénétration

La détermination de la résistance à la pénétration exercée sur un sol peut se faire à l'aide d'un pénétromètre de poche. Le principe de mesure consiste à faire pénétrer une tige graduée dans le sol, dont la résistance est mesurée à l'aide d'un ressort qui en fournit directement la valeur sur une échelle graduée en kg/cm2.

259

Dans les pilotes, plusieurs points de mesure ont été effectués à des endroits divers dans la couche du tout venant (au centre et en bordure des bacs) et dans la couche du matériau calcaire (Tableau 2.) La Table. VII-2 indique les valeurs de résistance à la pénétration, aux différents points de mesures 1 à 6. La valeur de résistance à la pénétration du sol initial en surface sans perturbations est de l'ordre de 2,1 à 2,7 kg/cm2 pour le tout venant et de 4,2 kg/cm2 pour le matériau calcaire. Le sol situé au pourtour des bacs donne des valeurs de résistance à la pénétration plus faibles que le sol situé au centre. Ces valeurs sont dues au compactage plus délicat en bordure des bacs.

N° bac N° essai Résistance moyenne à la pénétration

exercée sur le sol (kg/cm2) 1 2 3 4 5

1

6

1.210

1 2 3 4 5

2

6

1.526

1 2 3 4 5

3

6

2.421

1 2 3 4 5

4

6

1.279

1 2 3 4 5

5

6

1.518

Table. VIII -2

Résistance à la pénétration du tout venant dans les différents bacs.

260

5. Résultats

5.1. Suivi des flux hydriques

Le suivi des flux hydriques se fait par relevés manuels au cours du temps dans les bidons récoltants les percolats. Les volumes d'eau récoltés sont ensuite comparés à la pluviométrie. Après six mois d'expérience aucune eau n'a encore traversé les GSB. Les eaux récoltées se situent donc en surface des casiers (ruissellement) et à l'interface entre les matériaux de couverture et le GSB (eaux drainées dans le géodrain) dans chaque casier. Si l'on compare avec les courbes représentant les volumes d'eau récoltés sous le GSB in situ en fonction de la pluviométrie (Chapitre V Section 4.1.2 Fig. V-63 et V-64), on constate que pour un même niveau de pluviométrie (comprise entre 300 et 400 mm début juillet) de l'eau commençait tout juste à percoler au travers du GSB sur le site (percolats récoltés inférieurs à 1 L/m2).

Dates Pluviométrie

cumulée Ruissellement

cumulé

Eau drainée cumulée Pilote 1

Eau drainée cumulée Pilote 2

Eau drainée cumulée Pilote 3

Eau drainée cumulée Pilote 4

Eau drainée cumulée Pilote 5

Eau drainée cumulée Pilote 6

(L/m2) (L/m2) (L/m2) (L/m2) (L/m2) (L/m2) (L/m2) (L/m2)

07/02/08 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

13/03/08 15.10 0.69 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

04/04/08 62.30 0.69 10.89 0.00 0.00 0.00 5.56 4.00

29/04/08 169.98 3.83 24.28 24.84 24.89 8.48 23.60 16.44

23/05/08 200.68 6.57 32.61 30.29 27.44 8.48 26.38 16.58

04/06/08 257.68 11.65 32.61 55.18 52.33 13.26 42.16 29.02

12/06/08 296.68 16.59 42.06 84.16 74.32 21.08 54.60 41.30

10/07/08 376.68 24.64 42.06 87.53 74.32 21.08 54.60 41.30

Table. VIII -3

Bilan volumes d'eau récoltés en cumulés.

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0

10

20

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50

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17-fé

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8-mars-

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28-m

ars-

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7-av

r.-08

17-a

vr.-0

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27-a

vr.-0

8

7-mai-0

8

17-m

ai-08

27-m

ai-08

6-juin-

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16-ju

in-08

26-ju

in-08

6-juil.-

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Dates

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umes

réc

olté

s (L

/m2)

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m2)

RuissellementPilote 1Pilote 2Pilote 3Précipitations

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7-fév

r.-08

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8-mars-

08

18-m

ars-

08

28-m

ars-

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7-av

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17-a

vr.-0

8

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8

17-m

ai-08

27-m

ai-08

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in-08

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in-08

6-juil.-

08

Dates

Vol

ume

réco

ltés

(L/m

2)

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300

400

500

600

700

800

Plu

viom

étrie

(L/

m2)

RuissellementPilote 4Pilote 5Pilote 6Précipitations

Fig. VIII -13

Ruissellement et volumes d'eau drainée cumulée par les pilotes au dessus du GSB comparés aux précipitations.

Ces résultats permettent d'effectuer un bilan de masse de la couverture. En effet, on constate tout d'abord que la pluviométrie est supérieure à la somme des volumes récoltés (Ruissellement + Eaux drainées). Pour les mois de janvier à avril ceci indique que l'eau est stockée dans les matériaux de couverture; ce qui se confirme par l'étude de l'humidité mesurée à l’aide des sondes (voir section 5.2). En revanche entre les mois d'avril et juillet, l'humidité du sol restant constante et l'eau drainée dans les pilotes étant nulle, on en déduit

262

que l'eau de pluie est stockée dans la RFU du sol puis évaporée lors des jours de beau temps. Ce phénomène est le même que celui observé sur le site (Chapitre V Section 4). De plus, nous pouvons évaluer la pluie efficace qui s'infiltre réellement au sein du complexe de couverture. Après six mois de suivi, on constate que le ruissellement sur le casier représente environ 6,5 % de la pluie nette alors que l'eau drainée au niveau du géodrain situé sur les GSB représente, en sommant tous les casiers, prés de 85 % de la pluie nette. On observe aussi des différences entre les casiers. En effet, pour les deux types de GSB, les casiers qui drainent le moins d'eau au niveau du géodrain placé sur les GSB sont les deux casiers où le GSB a été mis en place à teneur en eau de réception; ce qui confirme un captage de l'eau par le GSB.

5.2. Suivi de l'humidité

Le suivi de l'humidité du sol à différentes profondeurs dans les casiers est effectué à l'aide d'une sonde de profil PR2 (Delta T). La sonde de profil mesure la teneur en eau des sols en évaluant ses propriétés diélectriques. En effet, l'eau a une constante diélectrique d'environ 81 comparée à celle des particules de sol qui est de environ 4 et à celle de l'air qui est environ égale à 1. La sonde génère un signal de 100 MHz qui est appliqué sur une ligne de transmission électronique et qui pénètre dans le sol via les paires d'anneaux en acier inox de la sonde. L'eau contenue dans le sol autour des anneaux détermine la quantité du signal émis qui rayonne dans le sol et la quantité de signal qui sera réfléchie à l'interface entre la ligne de transmission et l'anneau de mesure. La partie réfléchie du signal se combine avec le signal émis pour donner une onde entretenue le long de la ligne de transmission dont l'amplitude est directement fonction de la teneur en eau du sol. En effectuant un étalonnage de la sonde avec les sols de couverture en laboratoire on peut ainsi connaître la teneur en eau volumique des sols (Fig. VIII-14).

Fig. VIII -14

Sonde profil dans le pilote 1.

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23-janv.-08 03-mars-08 12-avr.-08 22-mai-08 01-juil.-08Dates

Ten

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en e

au v

olum

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(%

) Pilote 1 Prof 10 cm

Pilote 1 Prof 30 cm

Pilote 1 Prof 70 cm

Pilote 2 Prof 10 cm

Pilote 2 Prof 30 cm

Pilote 2 Prof 70 cm

Pilote 3 Prof 10 cm

Pilote 3 Prof 30 cm

Pilote 3 Prof 70 cm

0

5

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25

30

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23-janv.-08 03-mars-08 12-avr.-08 22-mai-08 01-juil.-08Dates

Ten

eur

en e

au v

olum

ique

(%

) Pilote 4 Prof 10 cm

Pilote 4 Prof 30 cm

Pilote 4 Prof 70 cm

Pilote 5 Prof 10 cm

Pilote 5 Prof 30 cm

Pilote 5 Prof 70 cm

Pilote 6 Prof 10 cm

Pilote 6 Prof 30 cm

Pilote 6 Prof 70 cm

Fig. VIII -15

Teneurs en eau volumiques dans les sols contenus dans les pilotes. La couleur foncée correspond à une faible profondeur de 10 cm, en partant de la surface (dans la terre végétale); la couleur intermédiaire à une profondeur de 30 cm depuis la surface (interface terre végétale et calcaire ou tout venant, suivant les cas); la couleur claire correspond à une profondeur de

70 cm (soit dans le calcaire, soit dans le tout venant mais en contact avec le GSB).

264

En observant les courbes de la Fig. VIII-15, plusieurs constatations en découlent. Les valeurs initiales de teneur en eau, qui se situent entre 1 et 7 % pour ce qui est des pilotes 1, 2 et 3 et entre 2 et 10 % pour les pilotes 4, 5 et 6, correspondent aux valeurs de teneur en eau de mise en place des matériaux. Les valeurs initiales les plus fortes (17 à 32 %) ne correspondent pas aux valeurs de teneur en eau de mise en place des matériaux et peuvent s’expliquer par une remontée capillaire, puisqu’il s’agit des couches de matériaux en contact direct (situées en forte profondeur) avec les GSB pré-hydratés. L’évolution dans le temps jusqu'au mois de juin peut se séparer en deux tendances :

• au niveau du matériau supérieur, où l’augmentation de l’humidité est très faible, laissant penser que les eaux de pluie s’infiltrent au travers de cette couche vers le bas;

• au niveau des matériaux inférieurs, en contact avec le GSB, le niveau d’humidité est déjà élevé, pour le cas des GSB pré-hydratés. En l’absence de pré-hydratation on constate qu'il atteint ce même niveau d'humidité au cours du temps (stockage de l’eau de pluie dans cette couche, qui peut expliquer la différence dans le bilan de masse, effectué précédemment avec les volumes d’eau récoltés);

• à noter que la teneur en eau finale après plusieurs événements pluvieux se situe autour de 35% pour toutes les configurations de couverture avant l'été, pour ces matériaux en contact avec le GSB, hydratés ou pas initialement.

Pendant le début de l'été on constate que l'humidité dans la terre végétale et le tout venant reste constante ou est en très légère diminution. En revanche, la teneur en eau volumique du sol calcaire diminue fortement (de 35% à 20%).

6. Conclusion

Les six pilotes reconstituant un complexe de couverture d’installation de stockage de déchets ménagers permettent de palier le manque de certaines données difficiles à atteindre lors de l'expérimentation un situ. En effet, six mois après leur mise en place les données récoltées permettent notamment d'évaluer la pluie efficace qui s'infiltre réellement au sein du complexe de couverture, le ruissellement sur la couverture ainsi que l'eau drainée à l'interface entre le GSB et les sols de couverture pour les différentes configurations de couverture testées sur le site. Pour les mois de janvier à avril l'eau est stockée dans les matériaux de couverture, mais entre les mois d'avril et juillet, comme observé sur le site, l'eau de pluie est stockée dans la RFU du sol puis évaporée lors des jours de beau temps. De plus, contrairement au site où les capteurs de type blocs de gypse n'ont pas fonctionné, la sonde de profil donne dans les pilotes une estimation correcte de l'humidité des sols de couverture et permet ainsi un suivi hydrique plus complet.

265

266

267

Conclusion générale

Cette thèse avait pour but d'étudier les transferts de fluides dans les dispositifs d'étanchéité composites en couverture des Installations de Stockage de Déchets. L'objectif était d'évaluer les flux d'eau et de gaz au travers de l'argile et des géosynthétiques bentonitiques en lien avec des sollicitations auxquelles la couverture est confrontée sur un site comme les déformations dues aux tassements des déchets, l'échange cationique avec le percolat des sols constituant la couverture, la dessiccation lors de périodes de forte chaleur… A cet effet, une étude multi-échelle a été menée. Ainsi, une instrumentation a été installée dans un complexe de couverture à grande échelle sur un site de stockage afin de suivre l'évolution de son comportement en temps réel. Une étude en laboratoire a été menée sur les GSB issus du site au travers d'essais de performances hydrauliques afin d'évaluer la compatibilité entre celui-ci et les sols de la couverture du site et pouvoir anticiper ainsi les phénomènes qui vont altérer ses caractéristiques d'étanchéité. Une deuxième étude en laboratoire a permis de développer une méthodologie ainsi que des nouveaux équipements permettant une meilleure compréhension du comportement de l'argile dans les ISD grâce à la détermination de son cœfficient de perméabilité au gaz après déformation. Finalement une expérimentation à une échelle intermédiaire a été mise en place afin de palier le manque de certaines données difficiles à atteindre lors d'expérimentations in situ à grandes échelles. Suivi du comportement d'une couverture d'ISD en temps réel L'instrumentation réalisée sur l'ISD de Chatuzange-le-Goubet a permis de suivre et de comparer, dans les conditions réelles de site, six configurations différentes de couvertures munies de GSB. La comparaison entre la pluie brute et les volumes d'eau récoltés sous le GSB ont permis de voir qu'après deux ans d'étude tous les GSB ont limité de façon considérable l’entrée de l’eau de pluie dans le massif de déchets. En effet, la fraction de l’eau de pluie ayant traversé le GSB varie entre 0,5% et 0,7% seulement. De plus, on a constaté une augmentation des volumes récoltés après l'automne 2007 pour toutes les configurations. En effet, alors que la première année les volumes d'eau récoltés pour chaque configuration ne dépassait guère les 0,5 L/m2 pour des précipitations mensuelles allant

268

jusqu'à plus de 150 L/m2, lors de la deuxième année, pour des précipitations mensuelles presque équivalentes, les volumes récoltés dans les lysimètres dépassent 1,5 L/m2 et ce volume atteint même plus de 4 L/m2 dans une configuration de la couverture. Cette augmentation de perméabilité trouve sa source dans l'été 2007 qui fut un été très chaud et qui a été suivi d'une période de sècheresse pendant l'automne. En effet, le cumul de pluie pour cette période est très faible (environ 20 mm). Cette sècheresse a pu entraîner une dessiccation du GSB et donc un début d'endommagement de la barrière. L'eau de pluie traverse donc le GSB non plus par sa porosité mais par des microfissures ce qui explique l'augmentation des flux d'eau pendant l'hiver 07/08 et le printemps 08. Cette hypothèse est validée par l'analyse de l'échange cationique au sein du GSB. En effet, après deux ans d'étude, celui-ci n'a donc pas encore été entièrement réalisé et les GSB contiennent encore une grande quantité d'ions sodium. L'augmentation de la concentration en calcium dans les percolats récoltés dans les lysimètres après l'automne 2007 est aussi une conséquence du phénomène de dessiccation de la barrière. En effet, après cette période sèche, les épisodes pluvieux plus rapprochés de l'hiver 2007/2008 et du printemps 2008 ont lessivé les sols de couverture par les fissures de dessiccation et entraîné les ions calcium, naturellement présents dans les sols de couverture, au travers du GSB par des microfissures. Ce résultat est significatif; en effet, certains auteurs recommandent une épaisseur de protection au-dessus du GSB de 70 cm, comme c’est le cas pour la couverture de ce casier, afin d'éviter normalement les effets néfastes liés au gel ou à la dessiccation. L’observation d’une influence de la dessiccation après 1,5 an de mise en œuvre des GSB va à contre sens de cette recommandation et pourrait donner lieu à des nouvelles recommandations relatives à une augmentation de l'épaisseur de la couche de protection au-dessus du GSB. L'étude en laboratoire des matériaux constituant la couverture a permis de déterminer l'état initial des GSB mais aussi de faire une première évaluation de la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture. En effet, les percolats synthétiques créés par lessivage des sols de couverture n'ont pas d'influence négative sur le gonflement de la bentonite. Etude en laboratoire des transferts hydriques dans les géosynthétiques bentonitiques L'objectif de ce programme expérimental était de répondre à un certain nombre de questions concernant le comportement à plus long terme des GSB en relation avec les conditions réelles auxquelles ils sont soumis dans la couverture de l'installation de stockage des déchets de Chatuzange-le-Goubet. Des essais de performances ont donc été menés sur les matériaux de la couverture du site afin de constituer une méthodologie pour évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture. Les essais de caractéristique et de performance des GSB ont été effectués dans des oedoperméamètres qui permettent de suivre les cinétiques de gonflement et d'absorption de liquide des GSB sous une contrainte normale donnée. Les deux types de GSB testés ont été mis en contact avec les différents percolats synthétiques et soumis à la contrainte de confinement correspondant à celle appliquée sur le GSB in situ à l'état sec ou après avoir été partiellement saturés. Leurs conductivités hydrauliques ont ensuite été déterminées. Les résultats ont montré que les cinétiques de gonflement des éprouvettes de GSB sont beaucoup plus longues pour les percolats issus des sols de couverture et du sol calcaire

269

lorsque le GSB n'est pas pré-hydraté. En revanche, seul le percolat issu du sol calcaire a influé sur la perméabilité des GSB la faisant légèrement augmenter. Le sol de couverture de l'ISD de Chatuzange n'a donc pas d'influence négative sur les caractéristiques d'étanchéité des GSB en place. Recherche expérimentale sur la perméabilité au gaz des matériaux d'étanchéité L'étude expérimentale effectuée en laboratoire sur la mesure de la perméabilité au gaz des matériaux d'étanchéité a permis l'utilisation de la méthode en régime variable de la chute de la pression. Cette méthode permet la détermination du coefficient de perméabilité au gaz effectif des matériaux d'étanchéité à partir d’une expérience simple et d’un traitement de données à la portée de tout laboratoire. De plus, cette méthode s’applique aussi à des produits où la loi de Darcy ne peut pas s’appliquer et présente donc l'intérêt de permettre une comparaison de tous les produits du marché entre eux (naturels ou synthétiques). Cette méthode a donc été appliquée pour des éprouvettes intactes d'argile et de GSB ayant des géométries diverses. Des dispositifs expérimentaux ont été créés afin de déformer les éprouvettes et les placer ainsi dans les conditions de matériaux soumis au tassement différentiel sur un site. Les courbes de chute de pression d'azote en fonction du temps ont montré une bonne répétabilité pour chaque type d'éprouvette testé. Les résultats obtenus avec les GSB ont pu être corrélés aux résultats obtenus par d'autres études en régime permanent. Les résultats obtenus avec l'argile déformée ont montré qu'il faut atteindre une certaine propagation et ouverture de la fissure pour voir des répercutions sur la perméabilité de l’échantillon. La validation de cette approche simplifiée de l'écoulement gazeux a ensuite été effectuée avec l'aide d'un outil numérique pour les caractéristiques géométriques des dispositifs expérimentaux utilisés lors des essais. Les résultats expérimentaux obtenus au cours de ce travail ont donc prouvé l'intérêt et la validité de la méthode proposée. En effet cette méthode donne des résultats similaires à ceux obtenus en régime permanent tout en gagnant en temps, en simplicité de mise en œuvre et en obtenant une meilleure précision à forte saturation des GSB. Expérimentations dans les pilotes: l'échelle intermédiaire Six pilotes reconstituant à l'identique le complexe de couverture de l'ISD de Chatuzange ont été installés afin de palier le manque de certaines données difficiles à atteindre lors de l'expérimentation in situ. Six mois après leur mise en place les données récoltées ont permis d'évaluer la pluie efficace qui s'infiltre réellement au sein du complexe de couverture, le ruissellement sur la couverture ainsi que l'eau drainée à l'interface entre le GSB et les sols de couverture pour les différentes configurations de couverture testées sur le site. On a ainsi pu voir lors des mois d'été que tout comme sur le site, l'eau de pluie est stockée dans le sol lors des évènements pluvieux puis évaporée lors des jours de beau temps. De plus, contrairement au site où les capteurs de type blocs de gypse n'ont pas fonctionné, la sonde de profil donne dans les pilotes une estimation correcte de l'humidité des sols de couverture et permet ainsi un suivi hydrique plus complet.

270

Perspectives et suggestions pour les recherches futures La démarche multi-échelle adoptée dans cette étude a permis de comprendre un peu plus les différents mécanismes qui entrent en jeu dans les dispositifs d'étanchéité-drainage en couverture d'ISD. Ce travail doit être poursuivi sur le long terme pour parvenir à un outil de prévision global du comportement des couvertures. En effet, le suivi sur une longue durée de nos installations dans la couverture de l'ISD de Chatuzange permettra d'étudier totalement l'échange cationique et son effet sur l'étanchéité de la barrière en temps réel. D'autre part, les phénomènes in situ à venir, mécaniques (tassements) et climatiques (gels et sècheresses), vont aussi apporter de nombreuses informations supplémentaires sur le comportement des GSB lors de son vieillissement. Les essais de performance en laboratoire doivent être affinés et complétés par d'autres essais afin de constituer une méthodologie complète qui permette, au travers de l'évaluation de la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture, d'anticiper les phénomènes qui vont altérer les caractéristiques de la couche étanche sur le long terme. Finalement, la mesure de la perméabilité aux gaz des matériaux argileux utilisés en couverture des ISD par la méthode transitoire de la chute de pression nécessite des recherches complémentaires. L'effet des paramètres qui influent sur le flux gazeux comme la structure interne des matériaux, les cycles d'humidifications/dessiccation, la présence d'éventuels défauts ou perforation etc…peut être étudié de manière simple et complète avec cette méthode et comparé à la méthode traditionnelle de détermination de la perméabilité en régime permanent. De plus la méthode peut aussi être utilisée pour d'autres barrières minérales telles que les mélanges sol / bentonite ou les bicouches GSB / argile compactée.

271

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ASTM D6243-08 Standard Test Method for Determining the Internal and Interface Shear Resistance of Geosynthetic Clay Liner by the Direct Shear Method. EN 14 196:2001 Méthodes d'essai pour la détermination de la masse surfacique des barrières géosynthétiques bentonitiques. NF ISO 13425-2 Octobre 2005 Géotextiles et produits apparentés- Résistance des liaisons de structures internes. NF P94-048 Octobre 1996 Sols : reconnaissance et essais - Détermination de la teneur en carbonate - Méthode du calcimètre. NF P94-050 Septembre 1995 Sols : reconnaissance et essais - Détermination de la teneur en eau pondérale des matériaux - Méthode par étuvage. NF P94-051 Mars 1993 Sols : reconnaissance et essais - Détermination des limites d'Atterberg - Limite de liquidité à la coupelle - Limite de plasticité au rouleau. NF P94-053 Octobre 1991 Sols : reconnaissance et essais - Détermination de la masse volumique des sols fins en laboratoire - Méthodes de la trousse coupante, du moule et de l'immersion dans l'eau. NF P94-056 Mars 1996 Sols : reconnaissance et essais - Analyse granulométrique - Méthode par tamisage à sec après lavage.

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NF P94-057 Mai 1992 Sols : reconnaissance et essais - Analyse granulométrique des sols - Méthode par sédimentation. NF P94-068 Octobre 1998 Sols : reconnaissance et essais - Mesure de la capacité d'adsorption de bleu de méthylène d'un sol ou d'un matériau rocheux - Détermination de la valeur de bleu de méthylène d'un sol ou d'un matériau rocheux par l'essai à la tache. NF P94-070 Octobre 1994 Sols : reconnaissance et essais - Essais à l'appareil triaxial de révolution - Généralités - Définitions. NF P94-071-1 Août 1994 Sols : reconnaissance et essais - Essai de cisaillement rectiligne à la boîte - Partie 1 : cisaillement direct. NF P94-078 Mai 1997 Sols : reconnaissance et essais - Indice CBR après immersion. Indice CBR immédiat. Indice Portant Immédiat - Mesure sur échantillon compacté dans le moule CBR. XP P94-090-1 Décembre 1997 Sols : reconnaissance et essais - Essai oedométrique - Partie 1 : essai de compressibilité sur matériaux fins quasi saturés avec chargement par paliers. NF P94-093 Octobre 1999 Sols : reconnaissance et essais - Détermination des références de compactage d'un matériau - Essai Proctor normal. Essai Proctor modifié. NF X30-420 Août 2007 Déchets - Détermination de la perméabilité d'une formation géologique en place, de matériaux rapportés, ou artificiellement reconstitués - Infiltromètres à simple anneau, de type fermé - Essai à charge constante et essai à charge variable. NF X30-424 Décembre 2005 Déchets - Détermination du coefficient de perméabilité d'un terrain par essai d'infiltration à charge constante en forage. PR NF X30-441 Juin 2008 Déchets - Détermination en laboratoire du coefficient de perméabilité à saturation d'un matériau - Essais de perméabilité au perméamètre à paroi rigide à gradient hydraulique constant/variable. XP P84-705 Août 2002 Géosynthétiques bentonitiques - Détermination à l'oedoperméamètre des caractéristiques de gonflement - Absorption - Perméabilité à l'eau sous contrainte. XP P84-707 Août 2002 Géosynthétiques bentonitiques - Perméabilité aux gaz des géosynthétiques bentonitiques partiellement saturés.

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FOLIO ADMINISTRATIF

THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

NOM : BARRAL DATE de SOUTENANCE : 28/11/08 Prénoms : Camille TITRE : Etude des transferts d'eau et de gaz dans les géomatériaux argileux utilisés dans les couvertures des Installations de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND). NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : 05 ISAL Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Acoustique et Génie Civil (MEGA) Spécialité : Génie Civil Cote B.I.U. - Lyon : T 50/210/19 / et bis CLASSE : RESUME : La barrière d'étanchéité en couverture du massif de déchets, dans une Installation de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND), joue un rôle fondamental sur les risques de pollution de l'environnement à moyen et long terme. En effet, le complexe de couverture doit remplir de multiples fonctions: drainage des effluents gazeux et de l'eau de pluie, étanchéité, confinement des déchets, réhabilitation du site… Cette barrière doit également maintenir ses caractéristiques durant toute la durée de vie du site et ceci malgré les différentes sollicitations auxquelles elle est soumise : mécaniques, climatiques, chimiques et hydrauliques. La difficulté de cette tâche explique pourquoi, en matière de couvertures, il n’existe pas de solution unique. En effet, dans le cas des déchets ménagers et assimilés, la législation ne spécifie pas précisément la constitution des complexes de couverture. Pour faire progresser ces concepts, il est nécessaire de mieux connaître le comportement de la couverture sous les sollicitations couplées, définies précédemment. La présente thèse étudie les transferts d'eau et de gaz dans les couvertures des Installations de Stockage de Déchets Non Dangereux, avec un suivi sur site et des essais en laboratoire. Concernant les flux hydriques le travail s'est déroulé à trois échelles différentes. Sur site ou des expérimentations à grande échelle ont été installées afin de suivre l'infiltration de l'eau de pluie dans différents complexes de couverture munis de GéoSynthétiques Bentonitiques (GSB) ainsi que l'échange cationique qui a lieu en leur sein en temps réel. En laboratoire où des essais de performances ont été menés sur les matériaux de la couverture du site afin de constituer une méthodologie pour évaluer la compatibilité entre le GSB et les sols de couverture et anticiper ainsi les phénomènes qui vont altérer les caractéristiques de la couche étanche. A une échelle intermédiaire où les complexes de couverture étudiés sur le site ont été reconstitués dans des pilotes à l'échelle métrique. Ce dispositif expérimental vient en complément de l'étude menée in situ et permet de palier au manque de certaines données difficiles à atteindre lors d'expérimentations à grandes échelles de ce type. Concernant les flux de gaz et en l’absence d’essais existants adaptés à l’étude de tous les matériaux utilisés dans la barrière de couverture, le travail a consisté à mettre d’abord au point une méthode d'essai afin de déterminer la perméabilité au gaz des matériaux de couverture en régime variable basée sur le suivi de la chute de pression. L'applicabilité de cette méthode a été vérifiée expérimentalement avec les différents matériaux d'étanchéité de notre étude (argile et GSB) pour différents dispositifs expérimentaux permettant notamment un couplage avec la déformation des matériaux. MOTS-CLES : Geosynthetique Bentonitiques; Argile compactée, Installation de Stockage de Déchets; Instrumentation; Lysimetres; Conductivité hydraulique; Perméabilité au gaz; Dessiccation; Echange cationique; Déformation en flexion. Laboratoire (s) de recherche : Laboratoire de Génie Civil et d'Ingénierie Environnementale (LGCIE, INSA Lyon) Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE, Grenoble) Directeur de thèse: Mme Irini DJERAN-MAIGRE M. Patrick PIERSON Président de jury : M. Pierre DELAGE Composition du jury : M. Jean-Marie FLEUREAU, M. Dominique GUYONNET, M. Pierre DELAGE, M. Mustapha HIDRA, M. Gérard DIDIER, Mme Irini DJERAN-MAIGRE, M. Patrick PIERSON.