Impact of saline and alkaline plumes on the swelling and self-sealing behaviour of a damaged claystone
Yara BARAKAT a soutenu sa thèse le 30 mars 2023 à Champs sur Marne.
Jury
Caterina DI MAIO, Professeur, Università della Basilicata
Olivier CUISINIER, Professeur, Université de Lorraine
Cristina JOMMI, Professeur, TU Delft
Dr. Xiang Ling Li, Coordinateur R&D, EURIDICE
Pierre DELAGE, Professeur, Ecole des Ponts ParisTech
Muhsin-Elie RAHAL, Professeur, Université Saint Joseph
Fréderic BERNIER, Ingénieur, AFCN
Prof. Yu-Jun CUI, Professeur, Ecole des Ponts ParisTech
Nadia MOKNI Ingénieur de recherche, IRSN
Résumé
Dans plusieurs pays, le stockage profond des déchets radioactifs est envisagé dans des argilites nommées "roches hôtes" grâce à leurs propriétés hydrauliques et mécaniques favorables et leurs fortes capacités de sorption des radionucléides. Durant les travaux d’excavations, une zone endommagée (EDZ) va être générée dans la roche hôte. Cette EDZ est capable de retrouver ses propriétés initiales avec le temps en s'auto-colmatant avec l’infiltration de l’eau souterraine (sous pH neutre et en absence de salinité). Cependant, durant la phase d'exploitation du site de stockage, des panaches alcalins provenant de la dégradation des structures en béton vont s'infiltrer. De plus, des panaches salins provenant des déchets bitumés vont être relâchés. Leurs effets sur les propriétés d’auto-colmatage de l’argilite reste une question ouverte.
L'objectif de cette thèse est donc d'étudier le comportement chimique-hydro-mécanique des argilites naturelles. Le matériau étudié est l'argilite d’Opaline du faciès sableux inférieur du site du Mont Terri. Cette argile présente l'avantage d'avoir une minéralogie très complexe qui permet d'étudier la contribution des différents minéraux argileux et non argileux (quartz et calcite) au comportement chimique-hydro-mécanique.
Les effets de la salinité et de l'alcalinité sur la microstructure, la minéralogie, les propriétés de rétention d'eau, les propriétés de gonflement et la compressibilité de l’argilite d’Opaline ont été déterminés. De plus, deux types de tests maquettes (tests d'auto-colmatage et de conductivité hydraulique) ont été réalisés sur des échantillons d'argilite d’Opaline artificiellement fissurés et exposés (1) à l'eau synthétique dont la composition chimique est similaire à celle de l'eau souterraine du faciès sableux inférieur ou (2) à la solution alcaline dont la composition chimique et le pH sont similaires à ceux de l'eau interstitielle du béton ou (3) à une solution très saline pour suivre l'auto-colmatage à l'échelle macro. Deux nouvelles cellules expérimentales ont été développées à cette fin. Finalement, pour compléter l'investigation à l'échelle micro, une cellule dédiée à la micro-tomographie par rayons X a été développée et des scans ont été réalisés à différents temps d'exposition.
Il a été constaté que la salinité diminue le gonflement de l'argilite étudiée à cause de la diminution de l'épaisseur de la double couche diffuse. Au contraire, l'alcalinité augmente le gonflement à cause des réactions acido-basiques concentrées sur les bords des particules d'argile, qui rend la structure dispersée et augmentent les forces de répulsion. De plus, la dissolution de la kaolinite peut être suivie d'une précipitation de zéolite qui augmente le volume total. En ce qui concerne le comportement chimique-hydraulique, il a été constaté que la salinité et l'alcalinité diminuent la succion matricielle. Alors que ce résultat était accompagné d'une diminution de la porosité totale dans le premier cas en raison de la contraction de la double couche diffuse confirmant la diminution du gonflement avec la salinité, des indices de vide plus élevés ont été trouvés dans le cas de la solution alcaline par rapport à l'eau synthétique. Ceci est dû à la dissolution des minéraux non argileux en plus de l'attaque acido-basique et à la dissolution des minéraux argileux. Enfin, après 32 jours d'hydratation, 37% et 33% d'auto-colmatage a été observé lors de l'exposition d'échantillons d'argilite d’Opaline artificiellement fissurés (fissure de 0.5 mm) à l'eau synthétique et à la solution alcaline, respectivement. Alors que l'on s'attend à ce que la salinité ralentisse l'auto-colmatage, les résultats obtenus ont montré que celui-ci peut se produire même sous pH élevé.