Préparation et caractérisation des matériaux

Préparation et caractérisation des matériaux

Technologie, définition et préparation du remblai minier en pâte

La technologie du remblai en pâte a été utilisée pour la première fois en 1974 à Bad Grund Mine en Allemagne (e.g., Paterson, 2012). Le remblai minier en pâte est un mélange des résidus miniers, d’agents liants (ciment, slag, cendres volantes, etc.), et d’eau (de robinet, de lac, ou recyclée du processus industriel) (Hassani et Archibald, 1998; Amaratunga et Yaschyshyn, 1997; Belem et Benzaazoua, 2008b ). Il a généralement un pourcentage solide massique Cw compris entre 70 et 85% et un dosage en liant Bw de 3 à 7% en masse des résidus secs (Belem et Benzaazoua, 2008a). La densité ou la masse volumique du RCP dépend à la fois de la granulométrie et de la densité relative des solides (e.g. Fall et al., 2005; Saebimoghaddam, 2005).
Un large éventail de distributions granulométriques peut être utilisé dans l’élaboration du RCP. Néanmoins, le RCP devra contenir un minimum de 15% massique de particules ultrafines (de diamètre inférieur à 2011m) pour faciliter son transport par pipelines. Le rôle de ces particules fines est de conserver une bonne quantité d ‘eau afin d’obtenir un mélange homogène (Landriault et Tenbergen, 1995; Saebimoghaddam, 2005). Plus la finesse de la granulométrie est importante, plus la surface spécifique des agrégats de particules est grande, et une bonne quantité d’eau reste
fixée autour des particules fines. L’ajout d’ agents liants tels que le ciment, la scorie (slag), la fumée de silice et la cendre volante, améliore les propriétés mécaniques et hydrauliques, ainsi que la durabilité et la stabilité géochimique du remblai (Benzaazoua et al., 2004; Saebimoghaddam, 2005; Nehdi et Tariq, 2007).

Propriétés géotechniques du remblai cimenté en pâte

La quantification des propriétés hydra-géotechniques permet de mieux caractériser le remblai cimenté en pâte. Ces propriétés décrivent la structure et la texture du remblai. Du fait de son caractère (constitution et nature) évolutif au cours du temps, le remblai minier en pâte cimenté est initialement une pâte, puis devient comme un sol dur à moyen terme et ensuite comme roche tendre à long terme. Comparativement au sol, le remblai cimenté en pâte est essentiellement formé de trois phases : une phase solide (résidu+ liant non hydraté + hydrates formés), une phase liquide (eau de mélange + eau interstitielle) et une phase gazeuse (air + vapeur d’eau) (Harvey, 2004; El-Aatar, 2011). Les propriétés ci-dessous sont utilisées pour décrire les milieux poreux en général et le remblai en particulier.

Propriétés thermiques du remblai en pâte frais et techniques de mesure

Les propriétés thermiques sont des paramètres essentiels qui permettent de décrire ou de modéliser le comportement thermique des matériaux soumis à des transferts thermiques, mais aussi la capacité à stocker ou à transformer de l’énergie thermique (Farouki, 1981; Le Frious, 2010; Gauthier, 2013). Les propriétés thermiques de base des matériaux sont notamment la conductivité, la capacité, la diffusivité, et l ‘effusivité thermiques. Elles dépendent de la nature du matériau (homogénéité, anisotropie) et de la température (Gauthier, 2013).
La conductivité thermique À permet de quantifier le pouvoir du matériau à conduire la chaleur. Plus elle est grande, plus le matériau sera un conducteur de la chaleur. La première loi de Fourier (voir l’équation (2-16)) définit la densité du flux de chaleur q’ (=q!S (W/m2); S (m2) est la section) comme étant le produit de la conductivité thermique À et du gradient de température.

Concepts généraux sur la rhéologie

La rhéologie est une branche de la chimie physique qui étudie la déformation et l’ écoulement de la matière sous l’effet des contraintes appliquées, considérant le taux d’application de ces contraintes. Cette science permet d’établir des relations entre les contraintes appliquées, les déformations induites et le temps (Chouinard, 1999; Saebimoghaddam, 2005; Mezger, 2006).
Ainsi ces relations établies permettent de déterminer le type d’écoulement ou le comportement rhéologique de la matière.
La rhéologie s’applique autant aux corps solides qu’aux corps liquides. La loi de comportement rhéologique classique des corps solides est la loi de Hooke définie pour un corps parfaitement élastique (la déformation est proportionnelle à la contrainte appliquée ; et la déformation engendrée est réversible). La loi équivalente pour les corps parfaitement fluides est connue sous le modèle de Newton. À l ‘intermédiaire de ces deux états de comportement rhéologique des corps, se trouve des corps particuliers ou intermédiaires (Chouinard, 1999).

Lois ou modèles de comportement rhéologique

Plusieurs modèles mathématiques ont été développés pour décrire le comportement rhéologique des fluides. Ces modèles mathématiques sont représentés généralement sous-forme des courbes d’écoulement afin de mieux appréhender le comportement rhéologique. Ainsi les données acquises au cours d’une caractérisation rhéologique expérimentale et présentées sous-forme d’un rhéogramme peuvent être facilement rapprochées d’un modèle donné par comparaison (ou ajustement). Cela permet d’identifier et de classer dans un premier temps le corps étudié avant de pouvoir analyser ses propriétés rhéologiques.
Le seul modèle classique des fluides newtoniens est donné par l’expression (2-26). Pour les fluides non-newtoniens, plus de vingt modèles d’ écoulement ont été développés. Dans ce qui suit, nous présentons les modèles les plus couramment utilisés.

Détermination expérimentale directe des propriétés d’écoulement

La détermination des propriétés rhéologiques des fluides par des approches expérimentales est basée sur les résultats expérimentaux obtenus à l’aide des essais directs et/ou indirects de caractérisation rhéologique. Elle nécessite des appareils et techniques spécifiques. On retrouve quatre groupes de techniques utilisées au laboratoire :
• La pénétrométrie et la géométrie de chute ;
• Les systèmes de cisaillement en mode rotatif;
• Les systèmes de vidange sous pression;
• Méthodes basées sur l’affaissement et l’écoulement sur les plans.
Il existe de nombreux essais mis en œuvre en laboratoire, en usine ou sur chantier afin de qualifier et quantifier les propriétés rhéologiques d’un matériau. Ces essais peuvent être utilisés pour caractériser les propriétés d’écoulement, de plasticité, de consistance, et de viscoélasticité, etc.
Le choix des outils et techniques empiriques de mesure est fonction de la propriété rhéologique à caractériser : viscosité ou aptitude à l’écoulement, propriétés plastiques ou seuil d’écoulement, élasticité, viscoélasticité (Estellé et al., 2011 ).

Influence de la température et de la salinité sur la rhéologie des suspensions

Il est d’un intérêt capital d’analyser l’influence de certains facteurs internes et externes sur les propriétés rhéologiques des suspensions industrielles, particulièrement sur le remblai minier en pâte dans les milieux nordiques. Dans ces milieux, la température et la salinité sont des facteurs importants à considérer lors de la conception du système de transport du remblai en pâte. Au cours de l’écoulement du remblai en pâte en pipeline, sa température peut être affectée par l’échange de chaleur avec le milieu extérieur, par la chaleur due à la friction sur la paroi et par la chaleur liée à la dissipation visqueuse entre les couches. De plus, la salinité naturelle rencontrée dans les eaux du pergélisol et celle due aux sels de déglaçage  du minerai lors des opérations minière pourraient affecter la chimie du remblai en pâte, par conséquent sa rhéologie. Or, l’influence de ces deux facteurs sur le comportement rhéologique des suspensions est complexe. Dépendamment de la suspension, les propriétés rhéologiques des suspensions peuvent augmenter ou diminuer avec l’accroissement de la température (de Kretser et Scales, 2008) ou de la concentration en électrolyte (Klein et Pawlik, 1999).

Influence de la température sur les propriétés rhéologiques des matériaux cimentaires frais

Le matériau cimentaire est tout matériau dont le ciment est utilisé comme liant. Il s’agit notamment du béton, du mortier, du remblai minier en pâte, ainsi que de la pâte de ciment. Ces matériaux sont généralement des fluides non-newtoniens dont les propriétés rhéologiques (viscosité, seuil de cisaillement, indice d’écoulement) jouent un rôle primordial sur leur comportement à l’écoulement. La connaissance de leurs propriétés rhéologiques donne une indication sur leur fluidité (Al-Martini et Nehdi, 2010). Le comportement rhéologique de ces matériaux dépend de plusieurs facteurs internes (degré d’hydratation, pH, rapport eau-ciment E/C, pourcentage des grains solides, chimie de l’eau, du liant et des solides, dosage d’ajouts minéraux ou d’adjuvants) et externes (température, énergie de malaxage, pression) (Fernàndezaltable et Casanova, 2006). Il est bien connu que le changement de température des matériaux cimentaires frais peut affecter le degré d’hydratation, lequel a une forte influence sur les propriétés rhéologiques (Petit et al., 2005; Nehdi et Rahman, 2004; Wu et al., 2013).
La température jouant un rôle important sur la rhéologie de matériaux, son effet sur les propriétés rhéologiques des matériaux cimentaires est débattu dans la littérature. On ne se limitera qu’ à présenter les résultats obtenus dans la littérature sur les propriétés rhéologiques des pâtes cimentaires sans les comparer, car une large variété de facteurs (la géométrie de l’outil de cisaillement d’essai, l ‘entrefer, la capacité de friction des surfaces de cisaillement, le modèle rhéologique utilisé dans la détermination des propriétés rhéologiques) joue un rôle significatif sur la rhéologie causant ainsi des difficultés inhérentes dans la comparaison de différents ensembles des résultats provenant de différents laboratoires (Fernàndez-altable et Casanova, 2006).

 

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 
1.1 Contexte de l’étude
1.2 Problématique de l’étude
1.3 Description du projet de recherche et structure du mémoire
1.4 Originalité et retombées du projet
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
2.1 Technologie, définition et préparation du remblai minier en pâte
2.2 Caractéristiques géotechniques et thermiques du remblai cimenté en pâte
2. 2.1 Propriétés géotechniques du remblai cimenté en pâte
2.2.2 Propriétés thermiques du remblai en pâte frais et techniques de mesure
2.3 Concepts généraux sur la rhéologie
2.3.1 Types de fluides
2.3.2 Lois ou modèles de comportement rhéologique
2.3.3 Détermination expérimentale directe des propriétés d’écoulement
2.4 Influence de la température et de la salinité sur la rhéologie des suspensions
2.4.1 Influence de la température sur les propriétés rhéologiques des suspensions sans liant
2.4.2 Influence de la température sur les propriétés rhéologiques des matériaux cimentaires
frais
2.4.3 Influence de la salinité sur les propriétés rhéologiques des suspensions
2.5 Concepts généraux sur le transport des fluides
2.5.1 Théorie et principes physiques de l’écoulement des fluides
2.5.2 Régimes et modèles d’écoulement des fluides
2.5.3 Détermination des pertes de charge de transport par des approches rhéologiques
2.6 Transfert de chaleur dans un fluide en écoulement dans une conduite
2. 6.1 Mode de transfert thermique
2.6.2 Transfert de chaleur dans un fluide en écoulement dans une conduite
2.6.3 Effet de la dissipation visqueuse sur le transfert de chaleur
2.6.4 Effet de la thermo-dépendance des propriétés rhéologiques du fluide sur le transfert de chaleur
2. 7 Conception de systèmes de transport du remblai en pâte
2. 7.1 Principales configurations du système de remblayage minier
2. 7. 2 Design basé sur l’ essai d ‘écoulement en boucle ou <<flow loop test»
2. 7.3 Design du système de transport par des approches rhéologiques
2.8 Récapitulatif
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE ET PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
3.1 Méthodologie générale de l’étude
3.2 Préparation et caractérisation des matériaux
3.2.1 Caractérisations physiques
3.2.2 Caractérisation minéralogique
3.3 Élaboration des recettes
3.4 Caractérisation rhéologique du remblai en pâte
3.4.1 Description de l’ essai au cône
3.4.2 Mesure directe des paramètres rhéologiques au rhéomètre AR 2000
3.5 Caractérisation thermique du remblai en pâte frais
3.6 Essais de mini écoulement en boucle (« Mini Flow Loop Tests»)
3.6.1 Circuit d’essai du mini écoulement en boucle et instrumentation
3.6.2 Protocole d’essai du mini écoulement en boucle du remblai minier en pâte(« Mini
Flow Loop Test»)
3.7 Simulations numériques du transport en pipeline avec le logiciel COMSOL
Multiphysics® 5.2
CHAPITRE 4 RÉSULTATS 
4.1 Effet du pourcentage solide et de la température sur les essais d’affaissement au cône
d ‘ Abrams
4.1.1 Résidu en pâte Goldex
4.1.2 Résidu en pâte Meliadine
4.1.3 Remblai cimenté en pâte Goldex
4.1.4 Remblai cimenté en pâte Meliadine
4.2 Effet de la température et de la salinité sur les propriétés rhéologiques
4. 2.1 Résidu en pâte Goldex
4. 2. 2 Résidu en pâte RP Meliadine
4.2.3 Remblai en pâte cimenté Goldex
4. 2.4 Remblai cimenté en pâte Meliadine
4.3 Caractérisations thermiques
4.3.1 Résidu en pâte et remblai cimenté en pâte Goldex
4.3.2 Résidu en pâte et du remblai cimenté en pâte Meliadine
4.4 Essais de mini écoulement en boucle (mini flow loop Tests)
4.4.1 Eau
4.4.2 Résidus en pâte Goldex et Meliadine
4.4.3 Remblai cimenté en pâte Meliadine
4.5 Calibrage du modèle numérique des essais de mini écoulement en boucle
4.5.1 Essai d’écoulement en boucle de l’eau
4.5.2 Essais d’écoulement des résidus en pâte Goldex et Meliadine
4.5.3 Essai d’écoulement du remblai cimenté en pâte Meliadine
4.6 Modélisations numériques de l’écoulement du remblai cimenté en pâte dans un réseau
de distribution
4. 6.1 Programme des modélisations
4. 6.2 Vitesse d’écoulement de 0,82 m/s
4. 6.3 Vitesse d ‘écoulement de 1,04 m/s
4. 6.4 Vitesse d ‘écoulement de 1,2 m/s
4. 6.5 Vitesse d ‘écoulement de 1,5 m/s
CHAPITRE 5 DISCUSSION
5.1 Effet de la température, du type de ciment et de la salinité sur les propriétés
rhéologiques du RCP
5.2 Mise en échelle des résultats des essais de mini écoulement en boucle au prototype réel
5.3 Effet de la température externe, de la vitesse d ‘écoulement et du diamètre interne du
pipeline sur la température du RCPS
5.4 Effet du diamètre interne et de la vitesse d’écoulement sur les pertes de charge dans le
réseau de distribution du RCPS
5.5 Effet du diamètre interne et de la vitesse d’écoulement sur la pression de pompage
5.6 Effet de l’isolation du pipeline
CHAPITRE 6 CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS 
6.1 Conclusions
6.2 Recommandations
BIBLIOGRAPHIE

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