EP0752708B1 - Matériau de colmatage et son procédé de fabrication - Google Patents

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EP0752708B1
EP0752708B1 EP19960401492 EP96401492A EP0752708B1 EP 0752708 B1 EP0752708 B1 EP 0752708B1 EP 19960401492 EP19960401492 EP 19960401492 EP 96401492 A EP96401492 A EP 96401492A EP 0752708 B1 EP0752708 B1 EP 0752708B1
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EP
European Patent Office
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granules
approximately
aggregates
binding material
material according
Prior art date
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EP19960401492
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German (de)
English (en)
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EP0752708A1 (fr
Inventor
Michel Dardaine
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00—Transportable or portable shielded containers
    • G21F5/005—Containers for solid radioactive wastes, e.g. for ultimate disposal
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28—Treating solids
    • G21F9/34—Disposal of solid waste

Definitions

  • the invention relates mainly to a sealing material, obtained from powder compacted clay, from the smectite family.
  • Such a sealing material can in particular be used on a waste storage site radioactive, to fill the remaining voids between the containers filled with waste and the walls of wells or galleries in which they are stored, and in order to fill the galleries access.
  • the subject of the invention is also a method of manufacturing such a sealing material.
  • Another technique for setting up filling material involves introducing directly the material in powder form, but under a sufficiently densified form so that it can fulfill its function. This technique is described in particular in document EP-A-0 568 430 corresponding to FR-A-2 690 456. It allows consider relatively high site densities. However, the material comprises between 30 and 60% of clay powder, which creates a lot of dust during installation.
  • the main object of the invention is a filling material designed to be placed according to the technique described in document EP-A-0 568 430, but whose particle size distribution is optimized, so that the performance of the material be significantly improved compared to those of known fillers and that the amount of dust-generating clay powder be reduced.
  • the invention also relates to a method manufacturing such a sealing material.
  • the first object is reached by filling or sealing material formed from compacted clay powder in the form of granules obtained from aggregates, characterized in that it comprises a mixture of granules of maximum dimension at most equal to about 10 mm and larger aggregates, the aggregates being of defined three-dimensional geometry and delimited by smooth surfaces.
  • Aggregates are formed from clay powder any compacted or smectite family.
  • these aggregates are all identical and they have a unit volume of approximately 5 cm 3 .
  • Each of the aggregates can in particular have two curved faces joined to each other in four edges forming a rectangle which has a length about 25 mm, the maximum thickness between the faces curved being about 15 mm.
  • the granules comprise a first batch formed of granules of maximum dimension less than 3 mm, a second batch formed of granules of dimension maximum between 3 mm and 6 mm, and a third batch formed of granules of maximum dimension included between 6 mm and about 10 mm.
  • the first, second and third batches of granules respectively constitute between about 13% and about 41%, between 0% and about 17% and between 0% and about 11% by weight of granules.
  • the mixture comprises preferably between about 30% and about 70% by weight of aggregates.
  • the powder is compacted clay in the form of aggregates in a machine tangential wheels fitted with frets.
  • the sealing material conforms to the invention is obtained from swelling clay natural, from the family of smectites.
  • a first step in the manufacturing process of the material clogging consists in compacting clay powder any or smectitic, designated by the reference 10, in a wheel compaction machine 12 tangentials equipped with frets.
  • This machine allows to compact the clay powder 10 in the form of aggregates or berlingots 15.
  • the berlingots 15 are all identical and have a geometry defined three-dimensional, that is, they are delimited in all directions by surfaces smooth which give them geometry and perfectly defined dimensions.
  • this geometry is characterized by two curved faces joined to one another along four edges arranged in the same plane. These four edges form approximately a rectangle whose length and width are very close. Thus, this rectangle has for example a length of about 25 mm and a width of about 24 mm.
  • the cartons 15 have between their curved faces a maximum thickness of approximately 15 mm and their unit volume is equal to approximately 5 cm 3 .
  • the machine 12 used to ensure the compacting clay powder 10 is a machine for compaction with tangential wheels fitted with frets.
  • Machines of this type are well known and used commonly to form aggregates of different dimensions, in the form of berlingots or balls, to from powdered materials such as coal, minerals, chemicals or pharmaceuticals, etc.
  • Such a machine essentially comprises two tangential wheels 14, with horizontal axes, driven simultaneously rotating in the direction of the arrows F1 on the face.
  • Each of the tangential wheels 14 is fitted on its periphery with a hoop fitted with cavities 16 whose shape is complementary to that of curved surfaces of the cartons 15 to be manufactured.
  • the cavities 16 of the two wheels are automatically opposite each other other.
  • the clay powder 10 is introduced and packed between the frets of the tangential wheels 14 by a hopper 18 in which is placed a screw d'Archimat 20.
  • Clay powder, compacted or densified by Archimedes' screw 20, is agglomerated by frets which equip the tangential wheels 14, to form the cartons 15.
  • the introduction of the clay powder 10 in the hopper 18 of the machine 12 tangential wheels fitted with frets can be preceded by a drying operation of this powder, if his condition justifies it.
  • This drying step illustrated schematically by the rectangle 22 in the figure, dehydrates clay powder, for example by bringing it for a few hours at a temperature about 80 ° C until the water content reaches a residual value remaining high enough to guarantee the efficiency of compaction.
  • the residual water content can be about 2 to 5%.
  • a fraction, corresponding for example to about 50% by weight of the cartons 15 obtained at the exit from machine 12 with tangential wheels fitted of frets is kept as is, in order to be subsequently incorporated into the mixture forming the sealing material, as shown in arrow 24 on the face.
  • the fraction remaining 15 cartons is then introduced into a crushing machine 28.
  • the crushing operation performed in the machine 28 makes it possible to obtain granules 29 whose maximum dimensions are at most equal to about 10 mm.
  • this crushing operation concerns a fraction of cartons 15 corresponding to around 50% by weight of these cartons.
  • the granules 29 obtained at the outlet of the machine 28 have variable shapes and dimensions, which practically continuously spread out so that that their maximum dimensions are between 0 and about 10 mm. It should be noted that these dimensions are, in any case, substantially smaller than the dimensions of the cartons 15.
  • the machine 28 used to crush the cartons 15 can be constituted by any machine of appropriate crushing.
  • this machine 28 is a hammer mill, in which several hammers 30 are driven simultaneously in rotation by a wheel 32.
  • the hammers 30 like wheel 32 are housed in a crushing 34 delimited by walls 36 forming anvils.
  • the granules 29 obtained at the outlet of the machine 28 are then sieved, as illustrated by the reference 42 in the figure, so as to be divided into three different lots, according to their granulometry.
  • the first batch is made of granules 29a whose maximum dimensions are less than 3 mm.
  • the second batch is formed of granules 29b, the maximum dimensions are between 3 mm and 6 mm.
  • the third batch is formed of granules 29c of which the maximum dimensions are between 6 mm and about 10 mm.
  • the sealing material according to the invention can be obtained directly by mixing according to defined proportions of cartons 15 no crushed with granules 29a, 29b and 29c extracted from each of the three batches obtained after sieving the granules 29.
  • the sealing material 44 a compound mixture approximately 20% by weight of granules 29a from the first batch, about 10% by weight of granules 29b of the second batch, approximately 20% by weight of granules 29c of third batch and about 50% by weight of cartons 15 not crushed.
  • Material manufacturing trials clogging 44 were carried out according to the method which just described, using two types of powder 10. These two types of clay powder correspond to a clay marl and a clay swelling classified respectively A2 and A4 in the classification of fine soils from the technical guide Central Laboratory of Bridges and Roads (LCPC), entitled “Realization of embankments and form layers” (1992).
  • LCPC Central Laboratory of Bridges and Roads
  • the clay marl classified A2 is a marl to hydrobies extracted in a mine of Mines of Potasse of Alsace (MDPA). It is representative of a clay of site.
  • the swelling clay classified A4 is a calcium smectite (FoCa7) extracted in the Basin Parisian. It is marketed by the Company French Bentonites and Derivatives. His performances hydromechanics are well known.
  • the actual test consists in subjecting a sample with a particle size between 10 mm and 20 mm to conventional pounding, that is to say to the application of 100 normal Proctor check blows (weight of the check: 2,496 kg; height of fall: 30.5 cm), roughly twice the normal Proctor energy (0.59 kg / dm 3 ). It is usually considered that when the fragmentability coefficient FR is less than 7, the material is not very fragmentable.
  • the A4 material revealed a significantly lower fragmentability (FR at most equal to about 5).
  • VCPC VibroCompression to Controlled Parameters
  • the second standardized test performed on each mix uses a Shear Press Roundabout (PCG).
  • PCG Shear Press Roundabout
  • the sample is simultaneously subjected to uniaxial compression and a shear.
  • the material is placed in a test tube which describes a cone of revolution whose vertex is centered on the bottom base of the test tube.
  • This test is representative of the means of industrial installation in horizontal layers such than the "isopactor" tire compactor.
  • AG2 mixtures Mixture reference Composition% Wet density Water content W% measured Dry density VCPC granules aggregates 0/3 mm 3/6 mm 6/10 mm B15 / 25 mm AG21 15 25 60 0 1.88 4.0 1.81 AG22 40 30 30 0 2.01 3.8 1.93 AG23 65 20 15 0 2.04 3.8 1.97 AG24 45 55 0 0 1.93 3.8 1.86 AG4 mixtures AG41 15 25 60 0 1.68 10.8 1.52 AG42 40 30 30 0 1.75 9.6 1.60 AG43 65 20 15 0 1.75 8.9 1.61 AG44 45 55 0 0 1.75 8.9 1.61 AG2 Granulated Mixtures Mixture reference Pellets Aggregates Wet density Water content W (%) Dry density VCPC 0 / 10mm AG23 0 / 6mm AG24 3 / 6mm 0 / 3mm B15 / 25 mm % % % % % M21 70 30 1.83 4.1 1.75 M22 50 50 2.10 4.3 2.01 M23
  • Table 4 shows that the dry density obtained with the VCPC test increases when the frequency of transverse vibration increases. In whatever the type of test, the density always increases when the water content decreases. This characteristic is illustrated by table 5, in the VCPC test case.
  • the dry density of a continuous reconstituted mixture (0-10 mm) obtained from clay A2 does not bring any appreciable improvement compared to natural clay A2 which is simply ground, with regard to relates to densification performance.
  • the VCPC test reveals a higher dry density when the mixtures obtained from clay A2 contain berlingots and this for a wide range of water content.
  • Table 9 makes it possible to compare, like Table 7 in the case of clay A2, the results of the Proctor normal PN test and of the VCPC test applied to natural clay A4 and to mixtures AG43, F42 and M43, the compositions of which are given in Tables 2 and 3.
  • Material Proctor normal PN test VCPC test Water content % Dry density Water content % Dry density Natural A4 clay 10 1.28 11.4 1.31 AG43 8.4 1.55 8.9 1.61 F42 10.2 1.56 9.3 1.73 M43 9.9 1.55 9.4 1.73

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Description

Domaine technique
L'invention concerne principalement un matériau de colmatage, obtenu à partir de poudre d'argile compactée, de la famille des smectites.
Un tel matériau de colmatage peut notamment être utilisé sur un site de stockage de déchets radioactifs, afin de remplir les vides résiduels existant entre les conteneurs remplis de déchets et les parois des puits ou galeries dans lesquels ces derniers sont stockés, et afin de reboucher les galeries d'accès.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel matériau de colmatage.
Etat de la technique
Dans le cadre des projets de stockage de déchets radioactifs de haute et très haute activité en formation géologique profonde, il est envisagé de reboucher partiellement ou totalement les emplacements de stockage des conteneurs dans lesquels sont placés les déchets, ainsi que les galeries permettant d'accéder à ces emplacements. Ce rebouchage permettrait notamment de minimiser les circulations d'eaux souterraines au voisinage immédiat des conteneurs. On ralentirait ainsi le transfert des radionucléides libérés au cours du temps, du fait d'une désagrégation ou d'une destruction partielle des conteneurs, vers le milieu d'accueil.
La quasi totalité des matériaux de remplissage envisagés pour remplir cette fonction fait appel aux argiles gonflantes de la famille des smectites, qui peuvent développer des pressions de gonflement de plusieurs dizaines de MPa, selon leur densité et leur degré de saturation. Quelle que soit la nature du matériau de remplissage envisagé, la maítrise des techniques de mise en place de ce matériau doit également être parfaite, afin qu'il puisse remplir parfaitement sa fonction.
L'article de R. PUSCH et al. intitulé "Bentonite-based buffer substances for isolating radioactive waste products at great depths in rock", présenté à OTANIEMI en Finlande au cours d'un congrès organisé par l'IAEA en juin 1979, pages 487 à 503, envisage de fabriquer par compactage à très haute pression des pièces de densité supérieur à 2,00 et de les mettre en place in situ, soit par empilement direct, soit par des dispositifs appropriés de manutention. Toutefois, l'article ne décrit ni la technique de densification utilisée, ni le procédé de mise en place.
Une autre technique de mise en place des matériaux de remplissage consiste à introduire directement le matériau à l'état pulvérulent, mais sous une forme suffisamment densifiée pour qu'il puisse remplir sa fonction. Cette technique est décrite notamment dans le document EP-A-0 568 430 correspondant à FR-A-2 690 456. Elle permet d'envisager des densités sur site relativement élevées. Toutefois, le matériau comprend entre 30 et 60 % de poudre d'argile, ce qui crée beaucoup de poussières lors de la mise en place.
Exposé de l'invention
L'invention a principalement pour objet un matériau de remplissage conçu pour être mis en place selon la technique décrite dans le document EP-A-0 568 430, mais dont la répartition granulométrique est optimisée, de façon telle que les performances du matériau soient sensiblement améliorées par rapport à celles des matériaux de remplissage connus et que la quantité de poudre d'argile génératrice de poussières soit réduite.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un tel matériau de colmatage.
Selon l'invention, le premier objet est atteint au moyen d'un matériau de remplissage ou de colmatage formé de poudre d'argile compactée sous forme de granulés obtenus à partir d'agrégats, caractérisé par le fait qu'il comprend un mélange de granulés de dimension maximale au plus égale à environ 10 mm et d'agrégats de plus grandes dimensions, les agrégats étant de géométrie tridimensionnelle définie et délimités par des surfaces lisses. Les agrégats sont formés de poudre d'argile compactée quelconque ou de la famille des smectites.
Les agrégats, que l'on appellera par la suite "berlingots", pour des raisons d'analogie de forme et de taille, sont délimités dans toutes les directions par des surfaces lisses qui leur donnent une géométrie tridimensionnelle bien définie.
Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, ces agrégats sont tous identiques et ils ont un volume unitaire d'environ 5 cm3.
Chacun des agrégats peut notamment avoir deux faces bombées réunies l'une à l'autre selon quatre arêtes formant un rectangle qui présente une longueur d'environ 25 mm, l'épaisseur maximale entre les faces bombées étant d'environ 15 mm.
Dans la forme de réalisation préférentielle de l'invention, les granulés comprennent un premier lot formé de granulés de dimension maximale inférieure à 3 mm, un deuxième lot formé de granulés de dimension maximale comprise entre 3 mm et 6 mm, et un troisième lot formé de granulés de dimension maximale comprise entre 6 mm et environ 10 mm.
Avantageusement, les premiers, deuxièmes et troisièmes lots de granulés constituent respectivement entre environ 13 % et environ 41 %, entre 0 % et environ 17 % et entre 0 % et environ 11 % en poids de granulés.
Par ailleurs, le mélange comprend de préférence entre environ 30 % et environ 70 % en poids d'agrégats.
Par ailleurs, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'un matériau de colmatage, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes :
  • compactage d'une poudre d'argile, sous la forme d'agrégats de géométrie tridimensionnelle définie et délimités par des surfaces lisses
  • concassage d'une première partie des agrégats, sous la forme de granulés dont la dimension maximale est au plus égale à environ 10 mm ; et
  • mélange des granulés et d'une deuxième partie, non concassée, des agrégats.
Dans la forme de réalisation préférentielle de l'invention, on effectue le compactage de la poudre d'argile sous la forme d'agrégats dans une machine à roues tangentielles équipées de frettes.
Brève description des dessins
On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférentielle de l'invention, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure unique illustre de façon schématique les différentes étapes du procédé de fabrication d'un matériau de colmatage conforme à l'invention.
Exposé détaillé d'un mode de réalisation
Le matériau de colmatage conforme à l'invention est obtenu à partir d'argile gonflante naturelle, de la famille des smectites. Dans le cas particulier d'un site de stockage argileux, on peut être amené à réutiliser une partie des remblais provenant du creusement des galeries d'accès et des emplacements de stockage comme matériau de colmatage de moindre performance hydraulique mais plus économique et la fabrication du matériau peut être envisagée sur ce site.
Comme l'illustre la figure, une première étape du procédé de fabrication du matériau de colmatage consiste à compacter de la poudre d'argile quelconque ou smectitique, désignée par la référence 10, dans une machine 12 de compactage à roues tangentielles équipées de frettes. Cette machine permet de compacter la poudre d'argile 10 sous la forme d'agrégats ou berlingots 15. Les berlingots 15 sont tous identiques et présentent une géométrie tridimensionnelle définie, c'est-à-dire qu'ils sont délimités dans toutes les directions par des surfaces lisses qui leur confèrent une géométrie et des dimensions parfaitement définies.
Dans la forme de réalisation décrite, cette géométrie se caractérise par deux faces bombées réunies l'une à l'autre selon quatre arêtes disposées dans un même plan. Ces quatre arêtes forment approximativement un rectangle dont la longueur et la largeur sont très proches. Ainsi, ce rectangle présente par exemple une longueur d'environ 25 mm et une largeur d'environ 24 mm. De plus les berlingots 15 présentent entre leurs faces bombées une épaisseur maximale d'environ 15 mm et leur volume unitaire est égal à environ 5 cm3.
Il est à noter que cette géométrie et ces dimensions des berlingots 15 ne sont données qu'à titre illustratif, des berlingots de formes et de dimensions sensiblement différentes pouvant être fabriqués sans sortir du cadre de l'invention.
La machine 12 utilisée pour assurer le compactage de la poudre d'argile 10 est une machine de compactage à roues tangentielles équipées de frettes. Des machines de ce type sont bien connues et utilisées couramment pour former des agrégats de différentes dimensions, en forme de berlingots ou de boulets, à partir de matériaux en poudre tels que du charbon, des minerais, des produits chimiques ou pharmaceutiques, etc.. Une telle machine comprend essentiellement deux roues tangentielles 14, à axes horizontaux, entraínées simultanément en rotation dans le sens des flèches F1 sur la figure. Chacune des roues tangentielles 14 est équipée sur sa périphérie d'une frette munie de cavités 16 dont la forme est complémentaire de celle des surfaces bombées des berlingots 15 à fabriquer. Lorsque les roues tangentielles 14 tournent à la même vitesse dans le sens des flèches F1, les cavités 16 des deux roues se trouvent automatiquement en face les unes des autres.
La poudre d'argile 10 est introduite et tassée entre les frettes des roues tangentielles 14 par une trémie 18 dans laquelle est placée une vis d'Archimède 20. La poudre d'argile, tassée ou densifiée par la vis d'Archimède 20, est agglomérée par les frettes qui équipent les roues tangentielles 14, de façon à former les berlingots 15.
Il est à noter que l'introduction de la poudre d'argile 10 dans la trémie 18 de la machine 12 à roues tangentielles équipées de frettes peut être précédée d'une opération de séchage de cette poudre, si son état le justifie. Cette étape de séchage, illustrée schématiquement par le rectangle 22 sur la figure, permet de déshydrater la poudre d'argile, par exemple en la portant pendant quelques heures à une température d'environ 80°C jusqu'à ce que la teneur en eau atteigne une valeur résiduelle restant suffisamment élevée pour garantir l'efficacité du compactage. Selon la nature de l'argile, la teneur résiduelle en eau peut être d'environ 2 à 5 %.
Une fraction, correspondant par exemple à environ 50 % en poids des berlingots 15 obtenus à la sortie de la machine 12 à roues tangentielles équipées de frettes est gardée telle quelle, en vue d'être incorporée ultérieurement au mélange formant le matériau de colmatage, comme l'illustre la flèche 24 sur la figure.
Comme l'illustre la flèche 26, la fraction restante des berlingots 15 est ensuite introduite dans une machine de concassage 28. L'opération de concassage effectuée dans la machine 28 permet d'obtenir des granulés 29 dont les dimensions maximales sont au plus égales à environ 10 mm. Dans l'exemple décrit, cette opération de concassage concerne une fraction des berlingots 15 correspondant à environ 50 % en poids de ces berlingots.
A la différence des berlingots 15, qui présentent tous la même forme et les mêmes dimensions, les granulés 29 obtenus à la sortie de la machine 28 présentent des formes et des dimensions variables, qui s'échelonnent pratiquement en continu de telle sorte que leurs dimensions maximales soient comprises entre 0 et environ 10 mm. Il est à noter que ces dimensions maximales sont, dans tous les cas, sensiblement inférieures aux dimensions des berlingots 15.
La machine 28 utilisée pour concasser les berlingots 15 peut être constituée par toute machine de concassage appropriée. Dans la forme de réalisation représentée, cette machine 28 est un broyeur à marteau, dans lequel plusieurs marteaux 30 sont entraínés simultanément en rotation par une roue 32. Les marteaux 30 comme la roue 32 sont logés dans une chambre de concassage 34 délimitée par des parois 36 formant enclumes.
Les berlingots 15, introduits dans la chambre 34 par une trémie 38, sont projetés contre les parois 36 par les marteaux 30. Un concassage des berlingots 15 est ainsi réalisé. Les granulés obtenus par ce concassage sortent de l'enceinte 34 par gravité, au travers d'une grille 40. Cette grille 40 empêche la sortie des granulés dont les dimensions maximales excèdent environ 10 mm. Ainsi, on est certain que la dimension maximale des granulés 29 obtenus à la sortie de la machine 28 est comprise entre 0 et environ 10 mm.
Les granulés 29 obtenus à la sortie de la machine 28 sont ensuite tamisés, comme on l'a illustré par la référence 42 sur la figure, de façon à être répartis en trois lots différents, selon leur granulométrie.
Le premier lot est formé de granulés 29a dont les dimensions maximales sont inférieures à 3 mm. Le deuxième lot est formé de granulés 29b dont les dimensions maximales sont comprises entre 3 mm et 6 mm. Enfin, le troisième lot est formé de granulés 29c dont les dimensions maximales sont comprises entre 6 mm et environ 10 mm.
A ce stade, le matériau de colmatage selon l'invention peut être obtenu directement en mélangeant selon des proportions définies des berlingots 15 non concassés avec des granulés 29a, 29b et 29c extraits de chacun des trois lots obtenus après tamisage des granulés 29. Ainsi, on utilisera par exemple pour former le matériau de colmatage 44 un mélange composé d'environ 20 % en poids de granulés 29a du premier lot, d'environ 10 % en poids de granulés 29b du deuxième lot, d'environ 20 % en poids de granulés 29c du troisième lot et d'environ 50 % en poids de berlingots 15 non concassés.
Des essais de fabrication du matériau de colmatage 44 ont été effectués selon le procédé qui vient d'être décrit, à partir de deux types de poudre d'argile 10. Ces deux types de poudre d'argile correspondent à une marne argileuse et à une argile gonflante classées respectivement A2 et A4 dans la classification des sols fins du guide technique du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), intitulé "Réalisation des remblais et couches de forme" (1992).
La marne argileuse classée A2 est une marne à hydrobies extraite dans une mine des Mines de Potasse d'Alsace (MDPA). Elle est représentative d'une argile de site.
L'argile gonflante classée A4 est une smectite calcique (FoCa7) extraite dans le Bassin Parisien. Elle est commercialisée par la Société Française des Bentonites et Dérivés. Ses performances hydromécaniques sont bien connues.
Dix tonnes de berlingots 15 ont été fabriquées avec chacun des matériaux A2 et A4. A chaque fois, cinq tonnes des berlingots obtenus ont été concassées et tamisées pour obtenir deux tonnes de granulés de dimensions maximales inférieures à 3 mm, une tonne de granulés de dimensions maximales comprises entre 3 mm et 6 mm et deux tonnes de granulés de dimensions maximales comprises entre 6 mm et 10 mm. Les formes et les dimensions des berlingots 15 obtenus après compactage sont celles qui ont été décrites précédemment à titre d'exemple. Les caractéristiques de chacun des deux matériaux à l'état naturel et sous forme de berlingots sont donnés dans le tableau 1.
Matériau Densité de grain Densité apparente Berlingot Teneur en eau Densité sèche Berlingot
A2 2,80 2,28 5 % 2,18
A4 2,70 2,16 10 % 1,96
Des essais ont également été effectués sur chacun des matériaux A2 et A4, afin de déterminer leur coefficient de fragmentabilité FR, qui caractérise le comportement évolutif des matériaux pulvérulents sous l'effet de manipulations et de sollicitations de mise en oeuvre. Ce coefficient de fragmentabilité est donné par l'expression : FR = D10 (i)/D10 (f), où :
  • D10(i) représente le diamètre de tamis correspondant à 10 % de tamisats, dans l'état initial du matériau ; et
  • D10(f) représente le diamètre de tamis correspondant à 10 de tamisats à la fin de l'essai.
L'essai proprement dit consiste à soumettre un échantillon de granulométrie comprise entre 10 mm et 20 mm à un pilonnage conventionnel c'est-à-dire à l'application de 100 coups de dame Proctor normal (poids de la dame : 2,496 kg ; hauteur de la chute : 30,5 cm), correspondant sensiblement au double de l'énergie Proctor normal (0,59 kg/dm3). On considère habituellement que lorsque le coefficient de fragmentabilité FR est inférieur à 7, le matériau est peu fragmentable.
Dans le cas du matériau A2, l'essai de fragmentabilité a révélé un caractère extrêmement fragmentable, que ce matériau se présente sous la forme de fractions fines ou en berlingots.
En revanche, le matériau A4 a révélé une fragmentabilité sensiblement plus faible (FR au plus égal à environ 5).
Afin de mettre en évidence l'influence bénéfique de la présence de berlingots dans le mélange pour l'obtention de matériaux de colmatage présentant une densité sèche accrue par rapport aux matériaux formés uniquement de granulés, les caractéristiques de compactage ont été déterminées expérimentalement sur deux types de mélanges.
Les mélanges du premier type, dits "mélanges recomposés continus [0-10 mm]" étaient formés uniquement de granulés tels que les granulés 29a, 29b et 29c obtenus par concassage des berlingots 15, puis tamisage des granulés obtenus en trois lots.
Les mélanges du deuxième type, dits "mélanges recomposés discontinus [0-25 mm]", étaient formés des mélanges précédents, auxquels étaient ajoutés des berlingots.
Sur chacun des mélanges ainsi réalisés, les caractéristiques de compactage ont été déterminées expérimentalement par deux essais normalisés.
Le premier essai, dit de "VibroCompression à Paramètres Contrôlés" (VCPC) est un essai de compactage dans lequel l'échantillon est soumis à la fois à une compression uniaxiale et à une vibration transversale. Cet essai est représentatif des moyens industriels habituellement utilisés pour mettre en place les matériaux granulaires par couches horizontales tels que le rouleau vibrant et la plaque vibrante.
Le deuxième essai normalisé effectué sur chacun des mélanges utilise une Presse à Cisaillement Giratoire (PCG) . Dans cet essai, l'échantillon est soumis simultanément à une compression uniaxiale et à un cisaillement. Pour cela, le matériau est placé dans une éprouvette qui décrit un cône de révolution dont le sommet est centré sur la base inférieure de l'éprouvette. Cet essai est représentatif des moyens de mise en place industriels en couches horizontales tel que le compacteur à pneus "isopactor".
Les résultats des essais VCPC sont donnés dans le tableau 2 dans le cas des mélanges recomposés continus et dans le tableau 3 dans le cas des mélanges recomposés discontinus. Les granulés obtenus à partir des matériaux A2 et A4 y sont désignés respectivement par les symboles AG2 et AG4.
Mélanges AG2
Référence Mélange Composition % Densité humide Teneur en eau W% mesurée Densité sèche VCPC
granulés agrégats
0/3 mm 3/6 mm 6/10 mm B15/25 mm
AG21 15 25 60 0 1,88 4,0 1,81
AG22 40 30 30 0 2,01 3,8 1,93
AG23 65 20 15 0 2,04 3,8 1,97
AG24 45 55 0 0 1,93 3,8 1,86
Mélanges AG4
AG41 15 25 60 0 1,68 10,8 1,52
AG42 40 30 30 0 1,75 9,6 1,60
AG43 65 20 15 0 1,75 8,9 1,61
AG44 45 55 0 0 1,75 8,9 1,61
Mélanges Granulés AG2
Référence mélange Granulés Agrégats Densité humide Teneur en eau W(%) Densité sèche VCPC
0/10mm AG23 0/6mm AG24 3/6mm 0/3mm B15/25 mm
% % % % %
M21 70 30 1,83 4,1 1,75
M22 50 50 2,10 4,3 2,01
M23 30 70 2,09 4,5 2,00
M24 50 50 2,06 4,3 1,98
F22 50 50 2,05 4,3 1,96
F23 50 50 1,96 4,3 1,88
B15/25 mm 100 1,55 4,4 1,48
Mélanges AG4
AG43 AG44
M41 70 30 1,84 8,7 1,69
M42 50 50 1,87 8,8 1,73
M43 30 70 1,89 9,4 1,73
M44 30 70 1,89 9,3 1,73
F42 30 70 1,90 9,3 1,73
F43 30 70 1,68 10,4 1,52
B15/25 mm 100 1,35 10,4 1,52
Dans le cas des mélanges M22 et M43, qui correspondent à deux mélanges de densités élevées obtenus respectivement à partir des matériaux A2 et A4, l'influence de la fréquence de vibration transversale appliquée sur l'échantillon lors de l'essai VCPC a été étudiée, ainsi que l'influence de la teneur en eau. Les résultats sont donnés respectivement dans le tableau 4 et dans le tableau 5.
Mélange Fréquence (Hz) Densité humide Teneur en eau W % Densité sèche
AG2 M22 50 1,91 4,4 1,83
80 2,06 4,5 1,97
100 2,09 4,5 2,00
AG4 M43 50 1,60 9,9 1,46
80 1,85 10,0 1,68
100 1,89 9,4 1,73
Mélange Procédé d'humidification Compactage Densité humide Teneur en eau W % Densité sèche
AG2 Pulvérisation de l'eau immédiat 1,91 10,2 1,74
Pulvérisation de l'eau après 2 h 1,88 9,7 1,71
Mélange M22 Confinement en enceinte climatique 1,97 7,9 1,82
Teneur en eau naturelle 2,09 4,5 2,00
Séchage en enceinte climatique 2,07 1,8 2,03
AG4 Pulvérisation de l'eau immédiat 1,67 19,4 1,40
Pulvérisation de l'eau après 2 h 1,52 19,4 1,27
Mélange M43 Confinement en enceinte climatique 1,74 17,2 1,48
Teneur en eau naturelle 1,89 9,4 1,73
Séchage en enceinte climatique 1,94 5,6 1,84
On a regroupé sur le tableau 6 les résultats des essais PCG effectués sur certains des mélanges dont les compositions sont données dans les tableaux 2 et 3.
MELANGE COMPOSITION Teneur en eau W % Densité sèche en PCG
AG2
AG23 0/10 mm 3,8 2,08
M22 50%0/10mm AG23 + 50%B15/25mm 4,3 2,12
F22 50 % 0/3mm + 50 % B 15/25 mm 4,4 2,12
AG4
AG43 0/10 mm 8,9 1,67
M43 30%0/10mmAG43 + 70%B15/25mm 9,4 1,81
F42 30 % 0/3mm + 70 % B15/25 mm 9,3 1,78
Une comparaison des tableaux 2,3 et 6 fait apparaítre que les densités sèches des mélanges recomposés discontinus comportant à la fois des granulés et entre environ 30 % et environ 70 % de berlingots sont plus élevées que celles des mélanges ne comportant que des granulés, aussi bien avec l'essai VCPC qu'avec l'essai PCG, même si des valeurs des densités obtenues dans ce dernier cas sont supérieures à celles qui sont obtenues avec l'essai VCPC.
Par ailleurs le tableau 4 montre que la densité sèche obtenue avec l'essai VCPC augmente quand la fréquence de vibration transversale augmente. En revanche quel que soit le type d'essai, la densité augmente toujours quand la teneur en eau diminue. Cette caractéristique est illustrée par le tableau 5, dans le cas de l'essai VCPC.
On observe également sur les tableaux 2 à 6 que la densité des mélanges obtenus à partir de l'argile A2 est toujours supérieure à celle des mélanges obtenues à partir de l'argile A4. Cette caractéristique s'explique facilement par le fait que l'argile A2 présente à la fois une densité de grains plus élevée que l'argile A4 (voir le tableau 1) et un coefficient de fragmentabilité FR également plus élevé.
Il est à noter que la densité sèche d'un mélange recomposé continu (0-10 mm) obtenu à partir de l'argile A2 n'apporte pas d'amélioration sensible par rapport à l'argile naturelle A2 simplement broyée, en ce qui concerne les performances de densification. En revanche et comme l'illustre le tableau 7, l'essai VCPC révèle une densité sèche plus élevée lorsque les mélanges obtenus à partir de l'argile A2 contiennent des berlingots et cela pour un large domaine de la teneur en eau.
A2 Densité sèche Proctor normal PN Densité sèche VCPC
Teneur en eau W% Argile Naturelle Argile Granulée Argile Naturelle Argile Granulée
Mélange 0/25mm M22 Mélange 0/10mm AG23 Mélange 0/25mm M22 Mélange 0/10mm AG23
0,2 1,93
1,1 1,92
1,8 2,03
2,0 1,91
2,2 1,94
3,6 1,86
3,9 1,89
4,3 1,94
4,5 1,88 1,95 2,00
5,8 1,85
7,5 1,83
8,0 1,86 1,73 1,82
9,8 1,85
Dans le tableau 7 on a également porté les résultats obtenus au cours d'un essai de compactage Proctor normal PN. Cet essai est un essai de compactage normalisé permettant de déterminer la teneur en eau optimale du sol pour laquelle la masse volumique sèche atteinte est maximale. Le compactage est réalisé par la chute répétée, depuis une hauteur de 30,5 cm d'une dame de 2,496 kg sur le matériau mis en place dans un moule cylindrique. L'essai Proctor normal correspond à une énergie de compactage de 0,59 kj/dm3.
Dans le cas des mélanges obtenus à partir de l'argile A4, les densités sèches mesurées à la teneur en eau moyenne de 10 % sont regroupés dans le tableau 8.
Réf Composition % Densité sèche
Mélange <3mm 3-6mm 6-10mm B15/24 VCPC PCG
AG42 40 30 30 0 1,60
AG43 65 20 30 0 1,61 1,67
AG44 45 55 0 0 1,61
M41 40,5 14 10,5 30 1,69
M42 32,5 10 7,5 50 1,73
M43 19,5 6 4,5 70 1,73 1,81
M44 13,5 16,5 0 70 1,73
F42 30 0 0 70 1,73 1,78
En l'absence de berlingots dans le mélange (mélanges AG42,AG43,AG44), ce tableau montre que la densité sèche obtenue par l'essai VCPC est voisine de 1,60. En revanche, la présence de 30 à 70 % de berlingots dans le mélange (mélanges M41,M42,M43,M44,F42) permet d'obtenir, par l'essai VCPC une densité sèche comprise entre 1,69 et 1,73.
De plus, il est à noter que ce résultat est obtenu avec une fraction de granulés de dimensions inférieures à 3 mm pouvant descendre jusqu'à 15 à 20 % (mélange M44), ce qui limite sensiblement les poussières lors de l'utilisation du matériau.
Enfin, le tableau 9 permet de comparer, comme le tableau 7 dans le cas de l'argile A2, les résultats de l'essai Proctor normal PN et de l'essai VCPC appliqués à une argile naturelle A4 et aux mélanges AG43, F42 et M43, dont les compositions sont données dans les tableaux 2 et 3.
Matériau Essai Proctor normal PN Essai VCPC
Teneur en eau % Densité sèche Teneur en eau % Densité sèche
Argile A4 naturelle 10 1,28 11,4 1,31
AG43 8,4 1,55 8,9 1,61
F42 10,2 1,56 9,3 1,73
M43 9,9 1,55 9,4 1,73
On observe que la densité sèche d'un mélange recomposé continu (AG43) obtenu à partir de l'argile A4 apporte une amélioration sensible par rapport à l'argile naturelle A4 simplement broyée, en ce qui concerne les performances de densification. Toutefois, l'ajout de berlingots (mélanges F42 et M43) améliore encore sensiblement la densité sèche révélée par l'essai VCPC.

Claims (13)

  1. Matériau de colmatage formé de poudre d'argile compactée sous forme de granulés obtenus à partir d'agrégats, caractérisé par le fait qu'il comprend un mélange de granulés (29a,29b, 29c) de dimension maximale au plus égale à environ 10 mm et d'agrégats (15) de plus grandes dimensions, les agrégats étant de géométrie tridimensionnelle définie et délimités par des surfaces lisses.
  2. Matériau de colmatage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les granulés et les agrégats sont formés de poudre d'argile compactée de la famille des smectites.
  3. Matériau de colmatage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les granulés comprennent un premier lot formé de granulés (29a) de dimension maximale inférieure à 3 mm, un deuxième lot formé de granulés (29b) de dimension maximale comprise entre 3 mm et 6 mm, et un troisième lot formé de granulés (29c) de dimension maximale comprise entre 6 mm et environ 10 mm.
  4. Matériau de colmatage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les premier, deuxième et troisième lots constituent respectivement entre environ 13 % et environ 41 %, entre 0 % et environ 17 % et entre 0 % et environ 11 % en poids du matériau.
  5. Matériau de colmatage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le mélange comprend entre environ 30 % et environ 70 % en poids d'agrégats (15).
  6. Matériau de colmatage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les agrégats (15) sont tous identiques.
  7. Matériau de colmatage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les agrégats (15) ont un volume unitaire d'environ 5 cm3.
  8. Matériau de colmatage selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que chaque agrégat (15) a deux faces bombées réunies l'une à l'autre selon quatre arêtes formant sensiblement un rectangle.
  9. Matériau de colmatage selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le rectangle présente une longueur d'environ 25 mm, l'épaisseur maximale entre les faces bombées étant d'environ 15 mm.
  10. Procédé de fabrication d'un matériau de colmatage, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes :
    compactage d'une poudre d'argile (10), sous la forme d'agrégats (15) de géométrie tridimensionnelle définie et délimités par des surfaces lisses;
    concassage d'une première partie des agrégats (15), sous la forme de granulés (29) dont la dimension maximale est au plus égale à environ 10 mm ; et
    mélange des granulés (29) et d'une deuxième partie, non concassée, des agrégats (15).
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on effectue un tamisage des granulés (29) de façon à séparer ces derniers en un premier, un deuxième et un troisième lots correspond à des granulés (29a,29b,29c) dont la dimension maximale est respectivement inférieure à 3 mm, comprise entre 3 mm et 6 mm et comprise entre 6 mm et environ 10 mm, et qu'on mélange des granulés appartenant à chacun de ces trois lots avec la deuxième partie des agrégats (15).
  12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on mélange entre environ 30 % et environ 70 % en poids d'agrégats (15) avec entre environ 13 % et environ 41 % en poids de granulés (29a) appartenant au premier lot, entre 0 % et environ 17 % en poids de granulés (29b) appartenant au deuxième lot et entre 0 % et environ 11 % en poids de granulés (29c) appartenant au troisième lot.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait qu'on effectue le compactage de la poudre d'argile (10) sous la forme d'agrégats (15) dans une machine (12) à roues tangentielles (14) équipées de frettes.
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