Transfert des solutions métalliques dans les argiles saturées et impact sur les microstructures

Heavy metals transport in saturated reconstituted clays and influence on clays microstructure

• Auteur / Autrice : Xianfeng Liu
• Direction : Pierre-Yves Hicher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux lourds

Bentonite

Kaolinite

Résumé

Cette étude de thèse a poour objectif de caractériser les effets des citaions métalliques (plomb, cuivre et zinc) sur la perméabilité, la compressibilité et la microstructure de deux argiles (Kaolinite Speswhite et Bentonite du Wyoming ) comme matériaux barrière dans les conditions défavorables (de forte concentration en métaux lourds et de faible densité sèche d'argile) d'un point de vue macroscopique et microscopique. Dans un premier temps, les propriétés de fixation et de relargage des métaux lourds sur les argiles ont été étudiées en effectuant les essais de batch équilibre. Les effets de ces cations sur le comportement hydromécanique et physico-chimique de ces argiles ont été analysés sous deux conditions différentes de sollicitations. D'une part, les argiles remaniées avec l'eau déminéralisée ont été percolées par des solutions métalliques à différentes concentrations. D'autre part, les argiles remaniées avec des solutions métalliques à différentes concentrations ont été consolidées sous condition oedométrique. Ensuite des analyses microstructurales ont été réalisées sur des échantillons d'argiel dans leur état initial et, puis après avoir été soumis respectivement aux différentes sollicitations: percolation et chargement mécanique. Plusieurs méthodes d'analyse ont été employées, telle que l'observation au Microscopie Electronique à Balayage Environnemental (MEB), la porosimétrie par absorption-désorption d'azote liquide (BJH et BET). L'ensemble de ces analyses nous a permis de mettre en évidence d'une part l'évolution du comportement macroscopique des argiles. Des paramètres, tels que la perméabilité, la compressibilité et l'effet de retard des argiles sur le transport des métaux lourds ont été étudiés. D'autre part, ces analyses ont permis de suivre l'évolution de la microstructure correspondante des argiles, en terme d'organisation texturale des particules, distribution des pores de surface spécifique. Il apparaît que la modification des propriétés macroscopiques des argiles contaminées est directement liée à l'évolution de leur microstructure dans le temps et dans l'espace due à l'intéraction entre les cations métalliques et les argiles.

This work aims to study the effects of heavy metals cations (lead, copper and zinc) on the permeability, compressibility and microstructure of two clays (Kaolinite Speswhite and Wyoming bentonite) used as barrier materials under unfavourable conditions (high heavy metal concentration and low clay dry density) from macro and micro points of view. Firstly, the retention and dsorption properties of heavy metals by the two clays were studied by conducting batch sorption and desorption tests. Then, hydromechanical and physicomechanical behavious changes of the clays induced by the presence of heavy metals were shown under two different loading conditions. The first one is the permeation with different heavy metal solutions in the recoonstituted clays specimens saturated with deionized water. The second one consists of carrying out conventional oedometric tests on the reconstituted clays specimens initially saturated with different heavy metals solutions. In order to investigate the microstructure evolution of the clays caused by heavy metals and clay interaction, microstructural analyses were carried out on specimen in their initial state and after having been subjected to two different loadings: permeation and consolidation. Different microstructural techniques were employed, such as Environmental Scanning Electron Microscopy observation (ESEM), mercury intrusion porosimatry and surface area determined by liquid nitrogen adsorption-desorption, and thermal analysis. These macro and micro analysis showned the mechanical, hydraulic, microstructural behaviour of contaminated reconstituted clays, expressed by the measurements of parameters such a permeability, compressibility and retardation effect of heavy metal transport in clays. It appears that the behaviour changes of these contaminated clays are directly related to their corresponding microstructural changes induced by heavy metals and clays interactions.