Evolution des propriétés macroscopiques d'argiles compactées et soumises à l'infiltration de polluants métalliques – METALCLAY

Actuellement, pour le stockage de surface des déchets ménagers et industriels et de leurs résidus d'incinération, la législation impose la mise en place de barrières argileuses, qui ont pour rôle d'empêcher les lixiviats d'atteindre le sous-sol et de polluer les nappes phréatiques. Les matériaux argileux utilisés doivent donc se caractériser par une faible conductivité hydraulique et une forte capacité d'échange cationique pour retenir les polluants. Cependant, même si ces barrières répondent aux exigences réglementaires lors de leur mise en place, aucune information n'est disponible quant à leur comportement à long terme. Le projet METALCLAY a pour but d'appréhender l'évolution des propriétés macroscopiques des argiles au contact de solutions métalliques. Les premières études expérimentales réalisées à l'ISTO sur des matériaux argileux naturels compactés et infiltrés avec des métaux en solution ont montré que ces argiles perdaient rapidement leurs propriétés de gonflement, de cohésion, et devenaient plus perméables. Le projet METALCLAY vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de cette évolution dramatique. Les smectites présentent des caractéristiques très intéressantes pour le confinement des déchets, telles d'importantes surfaces spécifiques, des capacités d'échanges cationiques élevées, de bonnes propriétés d'hydratation. Pour cette raison, l'équipe METALCLAY a choisi d'étudier exclusivement les smectites. - Deux aspects novateurs du projet METALCLAY sont à souligner. D'une part, pour mieux appréhender les mécanismes d'interaction entre les argiles et les métaux, il est indispensable de bien contraindre le système et donc d'utiliser des smectites modèles bien connues. Pour cela, l'équipe METALCLAY projette de travailler, non seulement sur des smectites naturelles de référence, mais également sur des smectites de synthèse. En effet, les smectites naturelles contiennent également d'autres phases, qui peuvent avoir une influence sur les interactions avec les métaux. En revanche, les smectites de synthèse sont monophasées et leur déficit de charge, soit tétraédrique, soit octaédrique, pourra être fixé. Les synthèses hydrothermales seront réalisées grâce à des autoclaves à chauffage externe, permettant de découpler la pression de la température, et ainsi de mieux appréhender le domaine de stabilité des smectites souhaitées. L'équipe METALCLAY s'équipera ainsi de trois autoclaves à joint froid de type Tuttle (jusque 3000 bars et 750°C). - D'autre part, la démarche du projet fait appel à une technologie originale, qui permet de reproduire à l'échelle du laboratoire les conditions de stockage de surface : une cellule œdométrique à infiltration sous pression contrôlée, développée et brevetée à l'Université d'Orléans (Jullien et Lecomte, 2000). De plus, les paramètres expérimentaux tels les pressions de compaction et d'infiltration ont été optimisés (C. Pothier, thèse ISTO, 2001), afin de reproduire les conditions hydromécaniques des sites de stockage de surface. Les échantillons de smectites seront compactés puis infiltrés sous pression constante, soit avec de l'eau ultra pure, soit avec des solutions contenant une concentration fixe en métaux (cuivre, nickel, zinc ou chrome). La conductivité hydraulique sera calculée avec la loi de Darcy, à l'aide des paramètres mesurés en cours d'expérience. Les analyses chimiques (cations et anions) et les mesures de pH des solutions de lixiviat prélevées régulièrement nous renseigneront sur l'évolution des échanges argile-métaux. Une caractérisation fine des échantillons obtenus après infiltration sera également entreprise, et comprendra des analyses chimiques, texturales (cryo-MEB, MET), minéralogiques (diffraction des rayons X), et la détermination de la spéciation des métaux par spectroscopie d'absorption X (EXAFS). Les diffractogrammes des rayons X feront l'objet d'une simulation, pour renseigner sur l'évolution de l'espace interfoliaire et donc des propriétés d'hydratation, ..