Experimental and numerical study of wet and dry cycles on an innovative polymer treated clay for geosynthetic clay liners

Geosynthetic clay liners (GCLs) are widely used to isolate waste disposal facilities in order to prevent pollutant migration into the ground. GCLs are factory-manufactured hydraulic barriers containing a thin uniform layer of bentonite sandwiched between two geotextile or glued to a geomembrane. Bentonite is used as barrier material thanks to its low conductivity to water. However, the hydraulic performance may be impaired by contact with aggressive liquids due to cation exchange and highly concentrated solutions. The efficiency of these liners can further deteriorate if hydration with an electrolyte solution is combined with wet and dry cycles, as a result of seasonal changes in temperature, rainfall and groundwater migration. The purpose of this study was to evaluate the effect of wet and dry cycles with seawater on a modified bentonite, HYPER clay. Seawater was selected to simulate conditions where wet-dry cycling is associated with high ionic strength of the inorganic permeant solution, such as a leachate. It represents an aggressive environment for the bentonite clay double layer thickness as it contains a high amount of monovalent and divalent cations. HYPER clay is a polymer amended bentonite with enhanced performance in presence of electrolyte solutions thanks to the irreversible adsorption of the polymer onto the clay. To study the effect of wet and dry cycles a number of tests was performed. The swelling ability was evaluated by means of free one-dimensional swell tests, swell pressure tests, temperature impact tests and CT scanning. Whereas the hydraulic performance is studied through hydraulic conductivity tests with flexible wall permeameters. The influence of drying temperature on the swelling and hydraulic performance was also investigated. Firstly, the thesis includes a description of the main polymer-modified bentonites developed so far. An overview of the hydraulic performance of these materials is provided. The amendment with polymers improved the barrier performance of the bentonite compared to untreated clay. However, the polymer is not always intercalated in the clay structure. Therefore, release of the polymer was experienced in some cases. The hydraulic conductivity and swelling ability of powder HYPER clay subjected to wet dry cycles with seawater was studied. The performances of HYPER clay were compared with those of untreated sodium bentonite. The swelling ability was quantified by means of free one-dimensional swell tests. The treatment with the anionic polymer improved the swelling and sealing ability of the bentonite subjected to six wet and dry cycles with seawater. The swelling of HYPER clay treated with 8% of polymer at the end of the cycles was comparable to the maximum swelling of untreated bentonite in deionized water. In addition, CT analysis demonstrated the better self-healing capacity and the smaller volume of cracks of HYPER clay compared to untreated bentonite. Unlike the untreated clay, HYPER clay maintained low permeability to seawater throughout the cycles. The impact of three different drying temperatures (air, 40°C and 60°C) on the self-healing capacity, swelling ability and water adsorption of HYPER clay and untreated clay was investigated using oedometer cells. These results were then adopted to interpret the hydraulic conductivity of GCL prototypes previously subjected to wet and dry cycles at different drying temperatures (40°C, 60°C and 105°C). In addition, the impact of wet and dry cycles on the GCLs overlap was evaluated by means of the flow box. The flow box allows the measurement of a large scale sample and it is possible to check the permeability in different sections of the sample surface. The swelling ability and water adsorption of HYPER clay always exceeded the values recorded for the untreated clay independently of the drying temperature. The higher swell of HYPER clay suggests a better hydraulic performance compared to untreated clay. Indeed, the hydraulic conductivity to seawater after four wet and dry cycles of the GCL containing the polymer treated bentonite was lower compared to the GCLs containing untreated clay at each drying temperature. These findings demonstrated the persistence of the polymer in the bentonite structure. The HYPER clay treatment intercalates the polymer in the interlayer region of the bentonite, likely inducing a disperse structure of the bentonite. Swell pressure tests were conducted to measure the swelling ability of both untreated clay and HYPER clay through four wet and dry cycles with seawater at a drying temperature of 40°C. Untreated bentonite was also subjected to wet and dry cycles with NaCl solution. HYPER clay confirmed its higher swelling ability even in presence of an aggressive environment, i.e. seawater. These results were interpreted theoretically with the model developed by Dominijanni and Manassero (2012a,b). The theoretical curves were drawn based on the swell pressure of untreated bentonite and HYPER clay 8% to increasing ionic strength. The assumption of constant number of platelets per aggregate independently of the ionic strength was adopted to obtain acceptable estimations of the experiments performed. This first interpretation demonstrated that the polymer treatment increased the net negative charge of the clay and limited the aggregation between clay platelets with a consequent improvement of the swelling ability. The swell pressures values through wet and dry cycles with sodium chloride and seawater were then back analyzed. The results obtained from wet and dry cycles with sodium chloride of untreated clay showed that it might be possible to use the model to simulate the aging process. On the other hand, more investigation is required for the samples subjected to the cycles with seawater due to the lack of information about the final concentration. The back analysis of experimental literature data allowed to define the fixed charge concentration for modified bentonites (BPN and DPH GCL) extending the application of the model to all treated clays. Results of chemico-osmotic tests on BPN and DPH GCL specimens, hydrated with KCl, were used. In general, values of membrane efficiency for modified bentonites were higher than those of conventional bentonite specimens tested with KCl solution. The theoretical curve of the global reflection coefficient versus average concentration represented well the experimental results from both, BPN and DPH GCL. As for untreated bentonite, the membrane efficiency of modified bentonites increased with decreasing the porosity of the specimens. The comparison of the solid skeleton electric charges showed higher value for BPN compared to DPH GCL, probably due to the higher amount of polymer. However, the solid skeleton electric charges of the modified bentonites were higher compared to those of untreated bentonite likely due to the presence of the polymer

Évaluation de la performance des géocomposites bentoniques comme barrière aux fluides dans un contexte de recouvrement minier

Les deux principaux types de rejets solides générés par l’industrie minière sont les stériles miniers et les résidus miniers (aussi appelés rejets de concentrateur). Ces rejets peuvent contenir desminéraux sulfureux et s’ils sont entreposés en surface et exposés à l’air et à l’eau, ils ont le potentiel de produire du drainage minier acide (DMA). Ce dernier est caractérisé par un pH <6 et un contenu en métaux dissous et en sulfates élevé (Aubertin et al., 2002; Blowes et al., 2014). Une méthode de restauration éprouvée pour limiter la production de DMA, tant pour les sites miniers en exploitation que ceux abandonnés, consiste à recouvrir les rejets sulfureux de matériaux limitant l’infiltration d’eau et/ou d’oxygène (Aubertin et al., 2002; INAP, 2012). Le géocomposite bentonitique (GCB) est un matériau de plus en plus considéré comme couche de faible conductivité hydraulique au sein de recouvrement de sites minier. Il s’agit d’un matériau usiné d’environ 1 cm d’épaisseur fait de bentonite (argile gonflante) encapsulée entre 2 géotextiles. La performance de GCB dans des recouvrements miniers et, plus particulièrement, en climat froid (i.e, soumis à des cycles de gel-dégel), est cependant peu documentée, bien que des risques de performance moindre qu’attendu aient été identifiés dans ce contexte d’utilisation. Le présent projet de recherche vise donc évaluer en laboratoire la performance d’un GCB comme barrière aux fluides responsables du DMA, dans un contexte de recouvrement minier. Dans le cadre de cette étude, des essais ont été réalisés sur un GCB conventionnel (GCB non tissé et renforcé (SRNW)). Les essais en laboratoire ont été divisés en deux volets : la caractérisation du GCB utilisé et, plus particulièrement, de la bentonite qu’il contient, puis l’étude des propriétés hydrauliques et diffusives d’échantillons de GCB hydratés à l’eau ou au drainage minier acide synthétique (DMAS). Les propriétés hydrauliques et diffusives évaluées étaient la conductivité hydraulique saturée avant et après des cycles de gel-dégel, la courbe de rétention d’eau (CRE) et le coefficient de diffusion effectif de l’oxygène (De), tant pour une hydratation à l’eau déionisée (DI) qu’au DMAS. L’évolution de la qualité du DMAS percolant au travers des échantillons de GCB a également été suivie en cours d’essais de perméabilité. Des analyses minéralogiques ont été réalisées sur les échantillons saturés afin de documenter l’impact chimique et minéralogique d’une perméation au DMAS sur la bentonite. Les résultats ont indiqué que sous de faibles pressions de confinement, similaires à celles exercées par un recouvrement minier, la conductivité hydraulique saturée des échantillons de GCB hydratés au DMAS était d’environ 10-8 cm/s, soit un ordre de grandeur de moins que celle d’échantillons hydratés à l’eau DI. Une différence d’un ordre de grandeur additionnel a été observée pour un échantillon soumis à des cycles de gel-dégel (10-7 cm/s), tandis qu’une augmentation de deux ordres de grandeur (10-6 cm/s) a été mesurée pour un échantillon soumis à des cycles de gel-dégel et une désaturation occasionnelle. Cette diminution de performance a été attribuée à la formation de fissures dans la bentonite lors du gel ou du séchage des échantillons, qui n’étaient pas réparées lors d’hydratation subséquences dû à une diminution du pouvoir gonflant de la bentonite causée par la perméation au DMAS. Les résultats des analyses chimiques, électrochimiques et minéralogiques ont également indiqué que les étapes typiques de neutralisation d’un DMAS avec faible pH et concentration élevée en sulfate et en fer ont été suivies en cours de perméation. Les essais ont toutefois été interrompus à des pH de 3,2 et 3,5, sans qu’un équilibre chimique n’ait été atteint. Des CRE similaires ont été obtenues pour les échantillons hydratés à l’eau DI et au DMAS. Les résultats indiquent que d’importantes forces de succion doivent être appliquées (0,1 à 0,45 MPa) afin de désaturer un GCB initialement bien hydraté. Les valeurs de De n’ont pour leur part pas été impactées par la nature du liquide hydratant utilisé. Les valeurs obtenues de 2,1 x 10-9 m²/s à 1,6 x 10-8 m²/s, pour des Sr de 88 à 94 %, correspondent à celles estimées par le modèle d’Aachib et al. (2004). Toutefois, puisque les GCB saturés au DMAS étaient tous plus minces que ceux hydratés à l’eau DI, le flux diffusif au travers du GCB devrait être moindre dans le cas d’une hydratation au DMAS, pour un même De. Sur la base de ces résultats, il a été conclu que dans des conditions de laboratoires contrôlées, et pour le GCB et le DMAS utilisé, l’hydratation au DMAS sous de faibles pressions de confinement a affecté négativement la performance du GCB comme barrière à l’eau et à l’oxygène. À la suite de ces travaux de recherche, il est recommandé de réaliser des essais de laboratoire complémentaires afin de déterminer la conductivité hydraulique saturée du GCB lorsque l’équilibre chimique est atteint, et de documenter la formation et la réparation des fissures se développant lors du gel et du séchage des échantillons. Il est également suggéré de réaliser des essais de perméabilité à très long terme sur des GCB traités aux polymères (résistance chimique accrue) afin de comparer les résultats obtenus à ceux de GCB conventionnels. Finalement, il est recommandé de poursuivre les travaux de recherche à l’échelle du terrain, afin de valider les degrés de saturation pouvant être atteints sur le terrain et l’influence des sols adjacents au GCB sur la qualité de l’hydratation

State-of-the-Art Report - Plastic Concrete for Cut-Off Walls

Plastic Concrete plays a key role in the remediation of earthen dams using cut-off walls to counter dam seepage. However, Plastic Concrete has yet to be thoroughly understood, since little attention has been given to this material in literature. The principal objective of this report is to set out the fundamental material science parameters, which describe Plastic Concrete’s mechanical and hydraulic behaviour as well as describing the mix design and application of Plastic Concrete. For this, an extensive and comprehensive literature review was carried out. The results show that Plastic Concrete can hereby be considered to be a low-strength, low-stiffness impervious concrete with a high deformation capacity under load and the capability of sustaining larger strains than normal concrete. This study further identifies reference values, which may be used in cut-off wall design. All in all, the research results represent a further step towards the understanding of Plastic Concrete material behaviour

Performance d'une couverture avec effets de barrière capillaire faite de mélanges gravier-bentonite pour contrôler la migration d'oxygène en conditions nordiques

"RÉSUMÉ : La restauration des parcs à résidus miniers est un défi environnemental de taille pour l’industrie minière, particulièrement pour les sites miniers générateurs de drainage minier acide (DMA) situés en climat nordique où des méthodes de restauration robustes à long terme doivent être développées. En climat tempéré, les recouvrements avec effets de barrière capillaire (CEBC) se sont avérés une méthode de restauration efficace pour les résidus miniers générateurs de DMA. Toutefois, ces recouvrements nécessitent l’utilisation d’un matériau fin pour la construction de la couche de rétention d’eau qui, en climat nordique, n’est pas toujours disponible près du site de construction. Dans un tel cas, des mélanges sol ou gravier-bentonite pourraient être utilisés. Ainsi, cette étude propose d’évaluer à l’aide d’essais en colonne au laboratoire la performance de contrôle des flux d’oxygène de CEBC faites de mélanges gravier-bentonite pour la restauration de sites miniers en climat nordique. Les propriétés isolantes du recouvrement permettraient de limiter la période de l’année où les résidus sont dégelés, tandis que les effets de barrière capillaire permettraient le contrôle des flux d’oxygène durant la période de dégel où les rejets pourraient générer du DMA. Les principaux objectifs du projet de recherche sont (1) de caractériser les propriétés hydro-géotechniques des matériaux de recouvrements proposés (2) de développer une méthode d’essai de laboratoire en colonne qui permet d’évaluer les effets des cycles de gel-dégel sur la migration de l’oxygène et la distribution de l’eau dans les CEBC testées et (3) d’évaluer la capacité des CEBC testées à contrôler les flux d’oxygène pour différentes conditions initiales de mise en place, avant et après cycles de gel-dégel, à partir de l’évaluation du coefficient de diffusion effectif de l’oxygène des couches de rétention d’eau." ----------"ABSTRACT : Environmental reclamation of mine tailing storage facilities is an important challenge of the mining industry. Especially for acid mine drainage (AMD) generating sites located in Nordic conditions where robust reclamation scenarios must be developed. In temperate climate, covers with capillary barrier effects (CCBE) were proven to be a practical reclamation method for AMD generating tailings. However, these covers require a fine grained material for the moisture-retaining layer which, in Nordic conditions, is not always available close to the construction site. In that case, soil-bentonite or crushed rock-bentonite mixtures could be used instead. Therefore, this study aims at evaluating through laboratory testing the performance of CCBEs made of crushed rock-bentonite mixtures to control oxygen fluxes for the reclamation of Nordic mine sites. Cover insulation properties would reduce the period of time where the tailings are above the freezing temperature and would control oxygen fluxes when the tailings could generate AMD in the unfrozen state. The main objectives of this research project are (1) to characterise the hydro-geotechnical properties of cover materials, (2) to develop a laboratory column testing method that allows evaluating the freeze/thaw sensibility of the tested CCBE on oxygen migration and water distribution and (3) to evaluate the capacity of the CCBEs to control oxygen fluxes for different placement conditions before and after freeze/thaw cycles, based on the evaluation of the moisture-retaining layer’s effective oxygen diffusion coefficient.

Performance d’une couverture avec effets de barrière capillaire faite de mélanges gravier-bentonite contrôler la migration d’oxygène en conditions nordiques.

La restauration des parcs à résidus miniers est un défi environnemental de taille pour l'industrie minière, particulièrement pour les sites miniers générateurs de drainage minier acide (DMA) situés en climat nordique où des méthodes de restauration robustes à long terme doivent être développées. En climat tempéré, les recouvrements avec effets de barrière capillaire (CEBC) se sont avérés une méthode de restauration efficace pour les résidus miniers générateurs de DMA. Toutefois, ces recouvrements nécessitent l'utilisation d'un matériau fin pour la construction de la couche de rétention d'eau qui, en climat nordique, n'est pas toujours disponible près du site de construction. Dans un tel cas, des mélanges sol ou gravier-bentonite pourraient être utilisés. Ainsi, cette étude propose d'évaluer à l'aide d'essais en colonne au laboratoire la performance de contrôle des flux d'oxygène de CEBC faites de mélanges gravier-bentonite pour la restauration de sites miniers en climat nordique. Les propriétés isolantes du recouvrement permettraient de limiter la période de l 'année où les résidus sont dégelés, tandis que les effets de barrière capillaire permettraient le contrôle des flux d'oxygène durant la période de dégel où les rejets pourraient générer du DMA. Les principaux obj ectifs du projet de recherche sont (1) de caractériser les propriétés hydra-géotechniques des matériaux de recouvrements proposés (2) de développer une méthode d' essai de laboratoire en colonne qui permet d'évaluer les effets des cycles de gel-dégel sur la migration de l' oxygène et la distribution de l 'eau dans les CEBC testées et (3) d' évaluer la capacité des CEBC testées à contrôler les flux d' oxygène pour différentes conditions initiales de mise en place, avant et après cycles de gel-dégel, à partir de l 'évaluation du coefficient de diffusion effectif de l'oxygène des couches de r étention d'eau. Dans cette optique, des travaux de caractérisation des propriétés physiques, géotechniques de base, hydrogéologiques et thermiques ont d 'abord été entrepris sur trois mélanges gravierbentonite à 5,0, 6,5 et 8,0% bentonite. Des conductivités hydrauliques entre 3,5 x 1 o-7 cm/s et 4,8xl0-8 cm/s et des valeurs d' entrée d' air entre 8 kPa et 20 kPa ont été mesurées pour les trois mélanges. Les résultats de cette étude de caractérisation mont rent que les mélanges gravierbentonite pourraient avoir les propriétés hydrogéologiques requises pour être ut ilisées comme couche de rétention d'eau d'une CEBC. Toutefois, plus de travaux s'avèrent nécessaires afin de déterminer la capacité des CEBC à limiter les flux d 'oxygène et d 'évaluer l'influence des cycles de gel et de dégel sur la capacité à contrôler la diffusion des gaz dans ces matériaux. Ainsi, des essais en colonnes instrumentées ont été mis en place afin d'étudier les performances à contrôler la migration de l'oxygène de trois configurations de CEBC faites de mélanges gravierbentonite à 5,0, 6,5 et 8,0% bentonite. Les colonnes testées sont constituées d'un bris capillaire de 0,40 rn fait gravier, d'une couche de rétention d'eau de 0,60 rn faite de mélanges gravierbentonite et d'une couche de protection de gravier de 1,0 rn d'épaisseur. Une première colonne (6,5% bentonite) a d'abord été construite afin de développer la méthode expérimentale. Trois autres colonnes ont ensuite été préparées en utilisant les connaissances obtenues avec la colonne test. Deux colonnes (5,0 et 8,0% bentonite) ont été montées en conditions idéales (couche de rétention d'eau initialement près de la saturation), tandis qu'une colonne (6,5% bentonite) a été mise en place à teneur en eau naturelle afin de simuler des conditions de terrain. Les essais en colonnes développés ont permis de réaliser des essais de diffusion de 1 'oxygène en colonne et d'évaluer l'influence de l 'infiltration d'eau et des cycles de gel-dégel sur la diffusion. Les CEBC à 5,0 et 8,0% bentonite montrent des degrés de saturation élevés (> 85 %) aux conditions initiales, mais se désaturent avec les cycles de gel-dégel. La CEBC à 6,5 %bentonite montre quant à elle des degrés de saturation inférieurs à 52% pour toutes les conditions. Les résultats des essais de diffusion d' oxygène interprétés à l ' aide du code numérique POLLUTE concordent bien avec les profils de teneurs en eau volumique observés. Ces résultats montrent que les CEBC à 5,0 et 6,5% bentonite sont performantes pour contrôler les flux d'oxygène aux conditions initiales, mais qu'une diminution des performances est observée avec les cycles de gel-dégel. Pour ces deux colonnes, des flux d'oxygène à 1 'état stationnaire inférieurs à 1 mol 02/m2/an sont calculés en conditions initiales tandis que des valeurs supérieures à 50 mol 02/m2/an ont été observées à partir du troisième cycle de gel-dégel. Cette perte de performance est en accord avec les résultats des essais de perméabilité qui ont montré un impact significatif des cycles de gel-dégel sur la valeur de la conductivité hydraulique saturée. Les flux d'oxygène calculés pour la CEBC à 6,5% bentonite (> 100 mol 02/m2/an) démontrent une performance limitée pour toutes les conditions d'essai en raison du faible degré de saturation initial. L'évolution des températures et des teneurs en eau volumique non gelée mesurées pour ces trois colonnes lors des phases de dégel montrent qu'aux températures minimales (-11 à -13 oC), des teneurs en eau volumique non gelée à l' équilibre entre 0,00 et 0,06 sont observées. Les résultats des essais de laboratoire démontrent que 1 'approche méthodologique suivie permet l'évaluation de la performance de CEBC soumise à des cycles de gel-dégel et pourrait être appliquée à d'autres configurations de CEBC. Cette étude de laboratoire s'est limitée à des matériaux utilisés dans le cadre d'essais de terrain réalisés à la Mine Raglan. Des performances de barrière à 1 'oxygène supérieures pourraient être obtenues avec une optimisation de la granulométrie du gravier et/ou de la proportion et du type de bentonite. À la suite de ces travaux de recherche, il est recommandé de comparer les données de laboratoire obtenues avec des données réelles de terrain sachant qu'une cellule expérimentale avec une configuration similaire à la colonne 2 a été construite à la Mine Raglan. De plus, davantage de travaux de recherche quant au comportement des matériaux de type gravier-bentonite doivent être entrepris. Il est aussi suggéré de modifier la méthode de laboratoire afin de permettre la modélisation du coefficient de diffusion de l'oxygène de toute la couche de rétention d'eau. D'autres matériaux à granulométrie fine, moins sensible aux cycles de gel-dégel, comme des résidus miniers désulfurés, pourraient aussi être testés comme matériaux de la couche de rétention d'eau

Évaluation des propriétés chimiques, mécaniques et hydrogéologiques de géomembranes utilisées comme matériaux de recouvrement pour restaurer des sites miniers en milieu froid et acide

Les géomembranes (GM) sont utilisées dans le domaine minier comme matériaux dans les systèmes de recouvrement pour constituer une barrière à l’eau et à l’oxygène afin de contrôler la génération de drainage minier acide (DMA). Une douzaine de sites avec ce type de système de recouvrements a été retrouvée dans la littérature. D’une part, les profondeurs auxquelles sont placées les GM sur les différents sites recensés au Canada sont inférieures aux profondeurs de pénétration potentielle du gel, les faisant ainsi éventuellement subir des cycles de gel-dégel (CGD). D’autre part, sur certains de ces sites, la GM est directement installée par-dessus les résidus oxydés, ce qui exposerait la GM à l’attaque chimique du DMA. Par ailleurs, les GM sont des matériaux synthétiques à durée de vie limitée alors que dans la restauration de sites miniers, l’objectif est d’atteindre un système qui resterait performant à très long terme. D’où l’origine de cette thèse qui vise à évaluer l’effet de ces facteurs sur les propriétés des GM utilisées dans le contexte de recouvrements miniers en milieu froid et acide. Pour ce faire, le projet a été orienté sur trois axes visant à étudier 1) les effets des CGD sur les propriétés des GM en polyéthylène haute densité (PEHD) et en polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL), ensuite 2) les effets de l’exposition au DMA sur les propriétés de GM en PEHD, et finalement 3) la performance in situ de GM en PEHD installées sur trois sites miniers situés en Abitibi-Témiscamingue et dans le Moyen-Nord du Québec. Pour l’étude des effets des CGD sur les GM dans les systèmes de recouvrements en milieu froid, des GM en PEHD et en PEBDL ont été soumises à des CGD contrôlés au laboratoire. Les GM en PEBDL ont été étudiées dans cette partie de la thèse, car elles pourraient être une alternative aux GM en PEHD. Les propriétés mécaniques en traction, hydrauliques et de sorption/diffusion d’oxygène ont été utilisées comme indicateur de performance. Initialement, d’un point de vue mécanique, les GM en PEHD étaient plus rigides et avaient des propriétés à la rupture plus basses que les GM en PEBDL. Ces propriétés mécaniques ont été évaluées après 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250 et 300 CGD. Au fil des CGD, une rigidification et une augmentation des propriétés à la rupture des deux matériaux ont été constatées. Les GM en PEBDL demeurent plus élastiques et plus résistantes que les GM en PEHD. Quant aux propriétés hydrogéologiques des deux matériaux, elles étaient dans les mêmes ordres de grandeur initialement. La perméabilité et les propriétés de sorption/diffusion d’oxygène ont alors été examinées après 100, 200 et 300 cycles. Au cours des CGD, ces propriétés de transfert de masses ont évoluées. Les conductivités hydrauliques équivalentes des deux GM ont augmenté d’un ordre de grandeur et sont à 10-14 m/s. Les coefficients de diffusion et de perméation d’oxygène ont quant à eux diminué d’un ordre de grandeur et sont respectivement à 10-14 et 10-13 m2/s. Ces valeurs indiquent que les matériaux gardent de bonnes propriétés hydrogéologiques après 300 CGD. Afin d’étudier les effets de l’exposition au DMA sur les propriétés des GM, des GM en PEHD ont été dégradées artificiellement au laboratoire. Ces GM en PEHD sont les plus utilisées dans les systèmes de recouvrement. Cette dégradation a été effectuée avec trois bains d’immersion remplis de DMA synthétique et chauffés à 65, 75 et 85 °C pour une période allant jusqu’à 16 mois. Des échantillons de GM ont ainsi été retirés mensuellement des bains afin d’évaluer l’évolution des propriétés chimiques et mécaniques par rapport aux propriétés initiales. Des essais de caractérisation hydrogéologique (essais de perméabilité et essais de sorption/diffusion d’oxygène) ont également été réalisés à la fin des périodes d’immersion dans chacun des bains. À la fin des essais de dégradation, les GM demeuraient dans la première phase de dégradation appelée phase de déplétion des antioxydants (AO). Concernant les propriétés mécaniques des GM, un gain d’élasticité de la GM a été remarqué au cours de la période de dégradation et aucun changement significatif n’a été noté sur les propriétés à la rupture des GM. Les propriétés hydrauliques et les propriétés de sorption/diffusions d’oxygène des GM sont restées dans les mêmes ordres de grandeur que les propriétés initiales. La conductivité hydraulique équivalente, le coefficient de diffusion et le coefficient de perméation d’oxygène des GM sont respectivement restés à des ordres de grandeur de 10-15 m/s, 10-13 m2/s et 10-12 m2/s. Il n’y aurait ainsi pas encore d’effet négatif sur les propriétés de la GM pendant la phase de déplétion des AO. Cette phase de déplétion des AO aurait respectivement durée 44, 21 et 18 mois avant d’arriver à l’épuisement complet des AO pour les bains à 65, 75 et 85 °C. Cependant, les températures usuelles dans les recouvrements seraient plus basses. Une extrapolation d’Arrhenius a ainsi été effectuée afin d’estimer ce temps de déplétion des AO à des températures plus basses. Les temps d’épuisement des AO seraient ainsi respectivement de 170, 80 et 40 ans à des températures de 0, 10 et 20 °C. Toutefois, ces résultats ont été obtenus dans des bains d’immersion où la GM est exposée au DMA des deux côtés alors que dans la réalité, au pire des cas, elle ne serait exposée que d’un seul côté. Ainsi pour les trois températures de 0, 10 et 20 °C, les temps d’épuisement des AO pourraient atteindre environ 600, 275 et 130 ans dans le cas où une couche drainante recouvre la GM. Ces temps seraient encore d’autant plus élevés si une assise est installée afin d’éviter l’exposition au DMA. Ils pourraient respectivement atteindre 1000, 480 et 220 ans à des températures de 0, 10 et 20 °C avec une assise de sable par exemple. La configuration des systèmes de recouvrement a ainsi une grande importance pour assurer la durabilité de la GM. Il est à noter que ce qui a étudié ici n’est que la première étape de la dégradation des GM. Il y a encore deux autres étapes. Ce qui signifie que la durée de service des GM serait encore plus longue que les ordres de grandeur susmentionnés. En vue d’évaluer la performance sur le terrain des GM dans les systèmes de recouvrement, deux campagnes d’exhumation ont été menées en 2019 et en 2020. Ces campagnes ont ainsi permis de récupérer des échantillons de GM lisse en PEHD, âgés respectivement de 20 et 13 ans, sur deux sites Moyen-Nord et Normétal où les GM sont potentiellement exposées au DMA et subiraient des CGD, et un échantillon de GM texturée en PEHD, âgé de 10 ans sur le site Aldermac, qui subirait potentiellement des CGD. Les exhumations ont été réalisées sur deux zones pour chaque site : une zone stable et une zone affaissée afin d’évaluer l’influence potentielle des contraintes de traction sur les propriétés des GM. Les premières caractérisations effectuées sur ces GM étaient des analyses enthalpiques différentielles afin d’évaluer le temps d’induction oxydative (TIO) pour obtenir une caractérisation globale de l’état de dégradation chimique des GM. Des spectrométries infrarouges ont également été effectuées pour obtenir l’indice carbonyle (IC) pour connaître la dégradation superficielle des GM. Les IC permettraient ainsi de mettre en évidence l’effet de l’exposition au DMA. Des essais mécaniques en traction, de perméabilité et de sorption/diffusion d’oxygène ont également effectués sur les échantillons de chaque zone (stable et affaissée) des trois sites. Les mesures de TIO ont indiqué que les GM demeuraient dans la phase de déplétion des AO et étaient largement au-dessus de la valeur limite de 0,5 min (pour une GM complètement dépourvue d’AO). Les IC n’ont pas permis de mettre en évidence les effets de l’exposition potentielle au DMA. Les propriétés mécaniques en traction des GM exhumées demeuraient en conformité avec les exigences standards pour une GM neuve même après des années de service. Les conductivités hydrauliques équivalentes, les coefficients de diffusion et de perméation d’oxygène des GM sont à des ordres de grandeur respectifs de 10-14 m/s, 10-13 et 10-12 m2/s. La comparaison des résultats obtenus des zones stables avec ceux des zones affaissées a montré que les contraintes de traction entraîneraient un amincissement des GM. Cet amincissement pourrait mener à une dégradation plus rapide des GM, mais également à une légère diminution de leurs propriétés de transfert de masse. La comparaison des résultats des GM lisses avec celle texturée montre également que cette dernière aurait une durabilité plus courte. Les travaux de cette thèse ont ainsi montré qu’à l’échelle du matériau, les GM en PEHD garderaient de bonnes propriétés de barrière à l’eau et à l’oxygène jusqu’à 1000 ans, dépendamment des conditions d’expositions de la GM, de la température, de la configuration et de la stabilité physique des systèmes de recouvrement pour la restauration des sites miniers en milieu froid et acide. Cependant, l’échelle considérée dans cette thèse demeure réduite et ne concerne que les GM sans défauts physiques (trous ou fissures). Ces défauts peuvent constituer les facteurs limitants de l’efficacité des GM et devraient être étudiés dans le futur. Il est également à rappeler que la GM n’est qu’une des différentes composantes des systèmes de recouvrement. Des recherches devront être menées pour explorer les rôles de chaque composante des recouvrements et de leurs interactions. Des investigations à l’échelle du terrain devront également être conduites tant lors de l’installation que pendant la durée de service des systèmes de recouvrements avec GM. Cette thèse se veut ainsi être les prémices sur l’étude des systèmes de recouvrements avec GM en apportant les premières informations sur la durabilité de ces matériaux synthétiques dans le contexte de restauration des sites miniers en milieu froid et acide. D’un point de vue pratique, il est primordial d’éviter l’installation des GM sur des sites où d’importantes déformations sont attendues. Ces déformations pourraient provoquer la fissuration des GM et ainsi nuire au système d’étanchéité souhaité avec la GM. Il faudrait également écarter les options de configurations où la GM serait installée directement par-dessus les rejets miniers qui pourraient en accélérer la dégradation. Une assise faite de sable serait à privilégier. Une couche de protection drainante devrait également être installée par-dessus la GM, afin d’éviter les accumulations d’eau et pour améliorer la durabilité des GM. Lors de la construction des systèmes de recouvrements avec GM, des standards stricts d’assurance et de contrôle qualité devraient être adoptés afin de limiter autant que possible les défauts qui pourraient être générés et de les réparer dans l’immédiat. Ces systèmes de recouvrements devront également être instrumentés par exemple pour suivre les profils de température et de concentration en oxygène par-dessus et en dessous de la GM. Les états de contrainte au niveau de la GM devront également être suivis. Finalement, un protocole de contrôle qualité en service devrait être adopté afin de suivre régulièrement l’évolution des différentes propriétés des GM dans le temps par exemple tous les 10 ans

Caracterização de Lodos e Efluentes Industriais gerados por uma Empresa de Beneficiamento de Argilas visando o atendimento a PNRS

In the industrial segment the comprehension of the characteristics of solid and liquid materials used as raw materials, whether dangerous or not, is key to their sustainable management in manufacturing products, knowing that the heterogeneity of the wastes generated limit their reuse. This work adressed the characterization of sludges and effluents derived from tests in the quality control department of a beneficiation of clays industry, aiming to present treatment and disposal alternatives in accordance with the National Policy on Solid Waste (PNRS). Analyses of pH, salinity, conductivity, total dissolved solids (TDS), bulk density, moisture content and total solids (TS – fixed and volatile) were conducted. It was observed that the sludges had high load inorganic material (L1, L2, L4 and L5), being only the sludge L3 with high load volatile organic matter, due to the solvents present. From the characterization of wet sludge (“in natura”) and dried (dehydrated and calcinated) by X-ray diffraction (XRD) and IR spectroscopy, it was found that there was preservation of the typical character of clay and the presence of activating agent. According to BET analyses and point of zero charge (PZC), various sludges had low surface areas, indicating that there would be difficulty in applying them as an adsorbent for the removal of pollutants in wastewater, but they can be incorporated into cementitious materials and glasses. Moreover, sludge L3 can be indicated as a source of energy for coprocessing in cement industry. As for the effluents, tests for specific reuse of three effluents (E1, E3 and E5) were conducted, indicating preliminarily that each of them can be reused, either in the laboratory, as a fuel, or in the original process.No âmbito industrial o entendimento das características dos materiais sólidos e líquidos usados como matérias-primas, perigosos ou não, é fundamental para a gestão sustentável dos mesmos na fabricação de produtos, sabendo-se que a heterogeneidade dos resíduos gerados limita o seu reúso. Este trabalho abordou a caracterização de lodos e efluentes provenientes de ensaios no setor de controle de qualidade de uma indústria de beneficiamento de argilas, visando propor alternativas de tratamento e disposição final conforme a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS). Foram realizadas as análises pH, salinidade, condutividade, sólidos totais dissolvidos (STD), densidade aparente, teor de umidade e sólidos totais (ST – fixos e voláteis). Observou-se que os lodos tiveram alta carga de material inorgânico (L1, L2, L4 e L5), sendo apenas o lodo L3 com alta carga de matéria orgânica volátil, devido aos solventes presentes. A partir das caracterizações dos lodos úmidos (“in natura”) e secos (desidratados e calcinados) por difração de raios-X (DRX) e espectroscopia no IV constatou-se que houve preservação do caráter típico de argilas e da presença de agente ativante. De acordo com as análises superficiais de BET, e ponto de carga zero (PCZ) vários dos lodos apresentaram baixas áreas superficiais, ou seja, indicando que haveria dificuldade de aplicação como adsorvente na remoção de poluentes em efluentes, mas eles podem ser incorporados em materiais cimentícios, vidros, e ainda, o lodo L3 pode ser indicado como fonte de energia para coprocessamento na indústria cimentícia. Quanto aos efluentes foram realizados testes de reutilização específicos para três efluentes (E1, E3 e E5), indicando-se preliminarmente que cada um pode ser reutilizado, seja em laboratório, como combustível, ou no próprio processo de origem

Porous Materials for Environmental Applications

The development of porous materials has attracted the attention of the research community for years. Porosity characteristics have specific impacts on the material properties and materials that are applied in many areas, such as pollutant removal, CO2 capture, energy storage, catalytic oxidation and reduction processes, the conversion of biomass to biofuels, and drug delivery. Examples of porous materials are activated carbons, clays, and zeolites. The aim of this book is to collect the recent advances and progress regarding porous materials and their applications in the environmental area

Sustainable stabilisation of expansive road pavement foundations, pavement thickness optimisation and defects analysis

Expansive road subgrade has been in existence for decades resulting in major road pavement defects, high maintenance/construction costs and detrimental environmental effects associated with using traditional cement and lime in subgrade stabilisation. Taking a sustainable approach, this research aims to address these issues using waste and industrial by-products (i.e. brick dust waste (BDW), ground granulated blast-furnace slag (GGBS), recycled plastic (RP) and recycled glass (RG) as partial replacements for cement and lime in subgrade stabilisation. The study investigates the sample characteristics, mineral structure, Atterberg limit, compaction, California Bearing Ratio (CBR), swell and microstructural properties of treated and untreated expansive subgrade materials.Sustainable waste materials and industrial by-products at proportions of 23.5%GGBS, 23.5%RP, 23.5%RG, 23.5%BDW and 11.75%GGBS, 11.75%RP, 11.75%RG, 11.75%BDW were used to achieve the optimum results. This reduced 20%Cement and 8%Lime (control mix design) to 2.5%Cement and 2%Lime. The 2.5%Cement was later eliminated and GGBS increased to 26% to see the effect on subgrade. Untreated high plasticity index (PI) (103) subgrade recorded Optimum Moisture Content (OMC) of 34.46% with a standard deviation (SD) of 23.41% and Maximum Dry Density (MDD) of 1.25Mg/m³ (SD=0.31%). A Liquid Limit (LL) of 131.26% (SD=18.18%) and Plastic Limit (PL) of 28.74% (SD=1.85%) were also recorded for untreated high PI subgrade. Untreated extremely high PI subgrade (249) recorded higher OMC of 40.97% (SD=9.42%) and MDD of 1.17 Mg/m³ (SD=0.28%) with much higher LL of 294.07% (SD=48.48%) and PL of 45.38% (SD=1.13%). CBR values for untreated subgrade increased from 0.6% (SD=4.38%) to 109% (SD=34.10%) and 200% (SD=53%) and up to 220% (SD=54%) after 28 and 90 days of curing when 20%Cement+8% Lime were partially replaced with 23.5%GGBS, 11.75%GGBS+11.75%BDW and 26%GGBS. Swell values reduced from 56.76% (SD=7.72%) to 0.04% (SD=0.01%) after 20%Cement+8%Lime were partially replaced with 23.5%GGBS and 11.75%GGBS+11.75%BDW translating into reduced pavement thickness and depth of construction when pavement design was conducted in the study.Road pavement thickness of 700mm and depth of construction of 800mm recorded for untreated subgrade with CBR values less than 2% reduced to 40mm and 50mm with CBR values between 80-100% when 20%Cement+8%Lime were partially replaced with 23.5%GGBS and 11.75%GGBS +11.75%BDW. Pavement design conducted using CBR values between 80-100% achieved for waste-treated subgrade in accordance with Design Manual for Roads and Bridges (DMRB) recorded a slight reduction in pavement thickness with reduced stresses responsible for pavement defects. A gradual reduction in CBR values from 230% (SD=54,61%) to 16% (SD=29.81%) for high PI subgrade and from 200% (SD=47.79%) to 15% (SD.=20.44%) for extremely high PI subgrade was observed after ten (10) wetting-drying cycles when 20%Cement+8%Lime was partially replaced with 23.5%GGBS and 11.75%GGBS+11.75%BDW. These acceptable CBR values achieved for wetting-drying cycle were due to the formation of high Calcium Silicate Hydrate (CSH) gel in the mix where up to 44.87% (SD=11.98%) of calcium (Ca) was recorded after 28 days of curing. Mix design 2%Lime+2.5%Cement+23.5%GGBS was selected as the optimised and most viable mix design in this study followed by mix design 2%Lime+2.5%Cement+11.75%GGBS+11.75%BDW due to their ability to achieve acceptable results for the set objectives including reduced Life Cycle Cost (LCC).Furthermore, a 55% reduction in LCC (£268,433,336) was observed for a kilometre (km) of road subgrade treated using 23.5%GGBS; whilst a high LCC of £488,754,774 was recorded for a km of road subgrade removed and replaced with foreign materials. Sustainably treated subgrade using 23.5%GGBS recorded 21% lower embodied carbon (0.0018 Co₂e/kg); whilst subgrade treated using 20%Cement+8%Lime recorded high embodied carbon of 0.0084 Co₂e/kg. Based on these findings, the study concluded that the engineering properties of expansive subgrade can be enhanced with reduced pavement thickness/construction depth, defects, carbon emission and overall LCC using sustainable waste as additives in subgrade stabilisation. However, the findings are based entirely on laboratory generated data and not field data. Therefore, as a next step, and before widespread uptake is considered, it is important that the findings are tested and verified in real-life field setting

Testing of Materials and Elements in Civil Engineering

This book was proposed and organized as a means to present recent developments in the field of testing of materials and elements in civil engineering. For this reason, the articles highlighted in this editorial relate to different aspects of testing of different materials and elements in civil engineering, from building materials to building structures. The current trend in the development of testing of materials and elements in civil engineering is mainly concerned with the detection of flaws and defects in concrete elements and structures, and acoustic methods predominate in this field. As in medicine, the trend is towards designing test equipment that allows one to obtain a picture of the inside of the tested element and materials. Interesting results with significance for building practices were obtained