Academic literature on the topic 'Poudre de bentonite'

Bentonite is widely used for plugging shallow water wells in the US. In the past 15 years Chevron has been plugging oil and gas wells with bentonite in the San Joaquin Basin in California, and has successfully plugged about 10,000 wells. In several previous publications the authors’ research team has reported laboratory data to predict pressure containment using bentonite to underpin the fundamentals for plugging both oil and gas wells. The authors propose bentonite as an alternative medium for decommissioning coal seam gas wells in Queensland. Gas producing companies in Queensland are proposing to drill and produce about 40,000 coal seam gas wells in the state, and all of these will have to be plugged eventually. Water wells are shallow and are usually plugged with coarse granulated bentonite that is simply poured down the hole and hydrated. The authors propose a process for compressing bentonite into cylinders of various shapes, which promises to improve the use of bentonite for plugging deeper wells. Oil and gas wells are presently plugged and abandoned with cement. Bentonite has a number of advantages when plugging oil and gas wells. It is cheaper and easier to deploy and it is more reliable than cement. In this extended abstract the application of bentonite for plugging conventional oil and gas and coal seam gas wells will be discussed. The many field trials will be reviewed and the fundamental theory for plugging wells with bentonite will be outlined.

Abstract 200 mL of synthetic acid mine drainage (AMD) was poured into five 500 mL glass beakers and treated in a jar test. The samples were dosed with 1.0–2.5 g bentonite clay, 20–60 mL of 0.025 or 0.05 M FeSO4 and 1.0–2.5 g saw dust respectively. The samples were mixed at 250 rpm for 2 minutes and reduced to 100 rpm for 10 minutes. The samples were allowed to settle for 1 hour, after which the pH, oxidation-reduction potential (ORP) and turbidity were measured (exp. A). Two other similar sets of experiments were conducted by dosing the samples with a combination of bentonite clay and FeSO4 with and without saw dust, similar treatment and measurements (exp. B and exp. C), similar treatment and measurements were conducted. The pH and the efficiencies of the flocculants containing 0.025 and 0.05 M Fe3+ in FeSO4 are similarly identical. The removal of turbid materials from the samples with FeSO4 is the lowest, followed by a combination of bentonite clay and FeSO4, whereas a combination of bentonite clay, FeSO4 and saw dust the highest. Comparative removal efficiencies between the two flocculants show that the presence of FeSO4 is relatively insignificant. The removal efficiency of a combination of bentonite clay, FeSO4 and saw dust from AMD sample is low with for Cu2+, and optimal for both Ni2+ and Fe2+ ions.

Abstract The paper presents results of measuring thermal conductivity and heat capacity of bentonite foundry sand in temperature range ambient - 900­­°C. During the experiments a technical purity Cu plate was cast into the green-sand moulds. Basing on measurements of the mould temperature field during the solidification of the casting, the temperature relationships of the measured properties were evaluated. It was confirmed that water vaporization strongly influences thermal conductivity of the moulding sand in the first period of the mould heating by the poured casting.

The problem described in the paper concerns the thermo-physical properties of the green mould material to which the cast iron is most often poured. The study includes the experiment of pouring the cast iron plate into green bentonite-sand mould. The temperature fields of casting and in different zones of the mould were recorded. The goal of the study was to determine the substitute thermo-physical properties of mould sand containing the over-moisture zone by means of simulation tests (inverse problem). An originality of the related research is an attempt to take into account the effects of the global thermal phenomena occurring in the quartz sand bonded by bentonite-water binder, by application of the substitute thermal coefficients without using the coupled modeling. In the simulation tests in order to achieve the effect of rapid heating of the mould (below temperatures 100 °C) by poured cast iron (T>1300 °C), the function of the latent heat source and the modified values of substitute thermal conductivity and substitute specific heat of the molding sand were used. In order to facilitate the solution, the mould was divided into zones, in which different starting humidity of molding sand was assumed.

Abstract A series of experiments was conducted using 200 mL of acid mine drainage (AMD) collected from Krugersdorp, South Africa, to determine turbid materials removal efficiency of a combination of bentonite clay, Fe or Al salt and MgCO3. The sample was poured into five 500 mL glass beakers using bentonite clay, FeCl3, AlCl3 and MgCO3 dosage respectively. The samples were treated in jar test at rapid and slow mixing, allowed to settle for 1 hour, then the pH, conductivity, total suspended solids (TSS), dissolved oxygen (DO) and oxidation reduction potential (ORP) were measured (exp A). A second and third similar sets of experiments were conducted with a combination of bentonite clay and MgCO3 (flocculent) dosage (exp B), and FeCl3 with slow mixing only (exp C). Experimental results revealed that the pH of treated effluent with bentonite clay does not exhibit significant increasing trend because of insignificant hydrolysis, whereas the pH of samples with FeCl3, AlCl3 and MgCO3 exhibit a slight decreasing trend, showing a low rate of hydrolysis. The DO and ORP of treated effluent does not show a significant changing trend compared to the untreated AMD sample. Residual TSS of the AMD samples treated with a flocculent is lower than the samples treated with bentonite clay, FeCl, AlCl3 and MgCO3. Residual turbidity of the samples with rapid mixing is identical to that of the corresponding samples with slow mixing. TSS removal efficiency of a flocculent is higher compared to other reagents. The results show that synthetic flocculent is an ideal replacement for inorganic coagulants. The scanning electron microscopy (SEM) micrographs exhibit slides with dense-sponge like flocs showing high adsorption capacity.

Abstract Acid mine drainage collected from the western decant in South Africa was treated in a series of small-scale laboratory experiments. 200 mL of the sample was poured into five 500 mL glass beakers using flocculants formed by mixing size-optimized 1.5 g of bentonite clay with 3.5 g saw dust and 1.0 g of Na3PO4 in triplicates (experiment A). Four similar sets of control experiments were conducted using the same amount of bentonite clay and saw dust with varying Na3PO4, contents in AMD treatment; the rationale being to determine the efficiency of Na3PO4 (experiments B, C and D). The results show that conductivity has an influence in the removal of the turbid materials. The removal efficiency of toxic metals using a flocculant containing 220 μm bentonite clay particle size and 0.012 or 0.25 M of Na3PO4 is higher than 96% when compared to that of the samples dosed with a flocculant containing 0.05 M Na3PO4, which is less than 91%. The flocculant also showed optimal removal efficiency of both turbid materials and toxic metals, i.e. removal efficiency within a range 96.5–99.3%. The flocculants containing 0.025 M Na3PO4 showed optimal removal efficiency of turbidity, colour, toxic metals and natural organic compounds.

Abstract 200 mL of synthetic acid mine drainage (AMD) sample was poured into five 500 mL glass beakers and treated in a jar test and a shaker in sets of experiments, respectively. The samples were treated in small-scale laboratory experiments using synthetic AMD sample dosed with bentonite clay and MgSO4 respectively, and a flocculant consisting of the same reagents. The pH, EC, turbidity and oxidation reduction potential were measured. The removal of turbid materials in the samples dosed with a flocculant is higher compared to those of the samples dosed with each reagent alone. The samples with flocculant dosage show high removal efficiency of natural organic compounds and toxic metals, slightly higher compared to those with a dosage of a combination of bentonite clay and MgSO4. The removal efficiency of the samples treated in a shaker is better than those with rapid mixing. The SEM micrographs show sorption is a physico-chemical phenomenon.

The problem concerns the thermo-physical properties of the mould material to which the liquid metal is poured (foundry industry). In the foundry processes the sand mould fulfils an auxiliary role only as technological tool, but its physical and technological properties determine the quality of the casting. The study includes the iron plate casting experiments poured in multi-component porous sand mould. The temperature fields of casting and in different zones of the mould were recorded. The determining of the thermo-physical properties of mould sand in over-moisture zone using simulation tests in Procast system was the goal of our study. An originality of the related research is an attempt to take into account the effects of the global thermal phenomena occurring in the quartz sand bonded by bentonite-water binder, using the apparent thermal coefficients. The majority of foundry simulation systems are not capable to modeling the phase transformation of water into vapor, vapor transport and its condensation in porous media (mould). In these cases the application of apparent coefficients is an effective way.

Abstract The development of economy and industry introducing new technologies and materials often means the increased threat of occurrence of factors harmful to humans and environment. Workers employed in foundries as mould pourers are the group of high professional risk. Foundry moulding sands when poured with liquid metal are a source of the emission of harmful, toxic and carcinogenic (benzene, PAHs) compounds. The paper presents the results of studies on the concentration of chemical compounds emitted in the process of casting aluminium alloy and brass using moulding sands with the new inorganic binders. The specific values of the exposure indices were compared with the limit values. This enabled an assessment of the impact of moulding sands on work environment. The obtained results were compared with the values of contaminants emitted when pouring foundry moulds made from furan sands and bentonite sands with an addition of coal dust. Studies were carried out under the project POIG.01.01.02-00-015/09 "Advanced materials and technologies."

Abstract In sand moulds, at a distance of 3 mm from the metal- mould interface, the sensors of temperature, and of oxygen and hydrogen content were installed. Temperature and the evolution of partial gas pressure have been analysed in moulds bonded with bentonite with or without the addition of seacoal, water glass or furan resin. Moulds were poured with ductile iron. For comparison, also tests with the grey iron have been executed. It was found that the gas atmosphere near the interface depends mainly on the content of a carbonaceous substance in the mould. In the green sand moulds with 5% of seacoal or bonded with furan resin, after the mould filling, a sudden increase in the hydrogen content and the drop of oxygen is observed. This gas evolution results from the oxidation of carbon and reduction of water vapour in the mould material, and also from the reduction of water vapour and alloy reoxidation. In carbon-free sand, the evolution in the gas composition is slower because water vapour is reduced only at the interface. Changes of oxygen and hydrogen content in the controlled zone are determined by the transport phenomena.

Cette thèse porte sur le comportement hydromécanique d’un mélange de poudre et pellets de bentonite MX80 avec une proportion 80/20 en masse sèche. Il s’agit d’un matériau étudié par l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) dans le cadre du projet SEALEX qui a pour objectif principal la vérification de l’efficacité des dispositifs de scellement ou des barrières ouvragées dans le system du stockage géologique des déchets radioactifs. Le comportement hydromécanique du matériau à différentes échelles a été étudié par différents essais en laboratoire. Premièrement, les changements à l’échelle microstructurale d’un seul pellet de bentonite durant l’hydratation a été abordée à l’aide de deux techniques : la porosimétrie au mercure et la tomographie aux rayons-X. Les résultats ont montré que le gonflement d’un pellet peut être expliqué par deux mécanismes : la création des fissures surtout à des succions entre 38 et 9 MPa, et le gonflement des grains de bentonite, correspondant à l’hydratation des smectites à l’échelle nano. A des succions inférieures à 9 MPa, une diminution de l’épaisseur des feuillets d’argile et une augmentation du désordre des ceux-ci sont observées. Des essais de rétention d’eau, de pression de gonflement et de compression à l’odomètre à succion contrôlée ont été effectués sur le mélange de poudre et pellets. Les propriétés de rétention d’eau sous conditions de volume constant et pour un seul pellet sous conditions de gonflement libre apparaissent similaires pour des valeurs de succion supérieures à 4 MPa. Cela implique que la succion physico-chimique est prédominante devant la succion capillaire. Pour des valeurs de succions plus basses, une capacité de rétention plus faible a été observée sous conditions de volume constant, à relier à la disparition des macro-pores par le gonflement des grains de bentonite. Des valeurs de pression de préconsolidation plus petites que celles des mélanges de bentonite pure ont été obtenues pour des succions non-nulles, montrant l’effet granulaire des pellets dans le mélange. Deux colonnes d’infiltration ont été réalisés afin d’étudier deux cas extrêmes avec une densité sèche globale identique (1.49 Mg/m3). Avec la première colonne, un mélange de poudre et pellets relativement homogène, fabriqué en suivant un protocole spécial a été étudié. En revanche, un mélange fortement hétérogène a été fabriqué dans la deuxième colonne d’infiltration. Les résultats montrent que la pression de gonflement radiale dépend fortement de la distribution des pellets et de la poudre ainsi que de l’évolution du front d’hydratation. Une anisotropie de gonflement a été observée dans les deux cas, avec la pression de gonflement axiale inférieure à celle radiale. De plus, la valeur finale de pression de gonflement axiale est différente pour les deux colonnes, bien que les deux échantillons aient fabriquées avec la même densité sèche globale. En parallèle, plusieurs observations à la tomographie aux rayons-X ont été réalisées sur le mélange de pellets et poudre pendant l’hydratation. Un mélange complètement homogène a été observé après 100 jours d’hydratation à l’échelle étudiée (50 μm/voxel). Un nouveau modèle d’endommagement qui prend en compte des fissures observées au sein du pellet pendant hydratation a été développé en adaptant le Barcelona Expansive Model (BExM). L’essai d’infiltration sur l’échantillon relativement homogène a été simulé avec succès en utilisant le modèle développé. L’hétérogénéité initiale de la porosité a été aussi considérée dans la simulation afin de reproduire l’anisotropie de gonflement. Les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de cette étude permettent de mieux comprendre la réponse des ouvrages de scellement avec le mélange de pellets et poudre de bentonite dans le projet SEALEX. De plus, le modèle développé, qui prend en compte des fissures observées au sein du pellet et l’hétérogénéité initiale du matériau, permettra d’améliorer
The present investigation deals with the hydro-mechanical behavior of a mixture composed of pellets and powder of MX80 bentonite with a proportion of 80/20 in dry mass. This is one of the studied materials by the French Institute for Radiation protection and Nuclear Safety (IRSN) within the SEALEX project, which aims at investigating the long-term performance of swelling clay-based sealing systems in the context of geological high-level radioactive waste disposal. This study has been conducted by following an experimental program covering different scales. Firstly, the microstructure changes while wetting of a single pellet was investigated by combining MIP results with μ-CT observations. Results revealed that swelling of a pellet is due to the development of cracks, with significant development between 38 and 9 MPa of suction, combined to swelling of bentonite grains, which is governed by the hydration mechanisms of smectite at nano-scale. The application of suctions below 9 MPa leads to a significant decrease of the platelet thickness and to an increase in the disorder of the platelet assembly. Water retention tests, swelling pressure tests and suction controlled oedometer tests on the pellet/powder mixture were performed. Similar water retention properties were observed for the mixture under constant-volume condition and pellet under free swelling condition under suctions higher than 4 MPa, suggesting that physico-chemical suction prevails on capillary suction. At lower suctions, constant-volume condition defined a lower water retention capacity because of the disappearance of macro-pores. Lower yield stress values than the common pure bentonite mixtures were found for the pellet/powder mixture for non-zero suctions, showing that the volume change behavior is governed by the rearrangement and crushing of pellets, and the loss of the granular structure in the case of zero suction. Two mock-up tests were performed, aiming at studying two extreme cases at a global dry density of 1.49 Mg/m3: a homogeneous pellet/powder mixture fabricated by following a special protocol, and a strong heterogeneous sample. Results revealed that the radial swelling pressure depends strongly on the local pellet/powder distribution combined with the evolution of the hydration front. An anisotropy swelling was found in both cases, being the axial swelling pressure lower than the radial one. Moreover, different values of axial pressure were found between the two tests, even though they have the same global dry density of samples. In parallel, μ-CT observations were carried out on the mixture while wetting, revealing a homogeneous sealed sample after 100 days of hydration. No density gradients were identified at the investigated resolution (50 μm/voxel) after this long time of hydration. A new damage model, which takes into account the development of fissures within a pellet while wetting, was proposed an included to the well-IVknown double porosity Barcelona Expansive Model (BExM) to carry out numerical simulations of one mock-up test. The initial heterogeneous porosity distribution was also considered to reproduce the anisotropy swelling. The experimental results obtained in this study will greatly help well understand the response of seals made up of pellets/powder bentonite mixture in the SEALEX in situ experiment. Moreover, the constitutive model developed taking into account the pellet cracking damage and the initial sample heterogeneity allows significantly improving the prediction of hydomechanical behavior of seals/plugs made up of this mixture, constituting thus an useful tool for the safety assessment of the nuclear waste disposal system

Les matériaux à base de bentonite sont envisagés pour la réalisation des ouvrages de fermeture dans les concepts de stockage de déchets radioactifs. Dans ce contexte, les matériaux mis en place sous forme de mélanges de granules (pellets) de bentonite sont étudiés car ils présentent moins de contraintes d’installation comparés aux blocs préfabriqués. Les pellets sont disposés dans les galeries à l’état sec et forment un matériau granulaire. Le matériau est humidifié par l’eau issue de la roche encaissante et acquiert une texture homogène. Avant homogénéisation, le caractère granulaire du matériau contrôle son comportement.Ce travail se concentre sur la caractérisation expérimentale et la modélisation numérique d’un mélange de pellets et pellets concassés (poudre) de bentonite en proportion 70/30 en masse sèche, envisagé pour réaliser les ouvrages de fermeture dans le concept français de stockage de déchets radioactifs. La proposition, l’implémentation et la validation d’un modèle de comportement tenant compte de la nature granulaire initiale et d’éventuelles hétérogénéités locales de densité est l’objectif principal de ce travail.L’influence de la nature granulaire est mise en évidence par l’intermédiaire d’essais de pression de gonflement à succion contrôlée au laboratoire. Les essais sont réalisés sur des échantillons préparés à différentes teneurs en poudre. A partir d’une caractérisation expérimentale à l’échelle du pellet, un modèle simple décrivant le comportement hydromécanique du pellet est proposé et implémenté dans un code de calcul utilisant la méthode des Éléments Discrets (DEM). Les essais réalisés au laboratoire sur les échantillons sans poudre sont simulés par la DEM et le modèle proposé. Les résultats expérimentaux sont reproduits de manière satisfaisante. Cette méthode est utilisée pour simuler de larges assemblages granulaires de densités variées soumis à des sollicitations hydromécaniques. Les paramètres influençant le comportement macroscopique des assemblages de pellets à l’état « granulaire » sont identifiés à partir de ces simulations. Un ensemble de lois de comportement sont proposées pour modéliser le matériau comme un milieu continu.La transition de l'état granulaire à l’état homogène est décrite par des critères faisant intervenir la succion et les fractions volumiques relatives des pellets et de la poudre. Une version modifiée du Barcelona Basic Model est proposée pour modéliser le comportement du matériau à l’état « homogène ». Le modèle est implémenté dans le code de calcul par Éléments Finis (FEM) BIL. Les essais de pression de gonflement réalisés au laboratoire sur des échantillons contenant différentes teneurs en poudre sont reproduits de manière satisfaisante, sur l’ensemble du chemin d’humidification, en utilisant un unique jeu de paramètres.Le comportement du matériau au cours de l’humidification en conditions de volume constant est finalement étudié à plus grande échelle par la réalisation d’essais d’imbibition en modèle réduit au laboratoire, à différentes teneurs en poudre. Les cellules sont de section carrée avec une face vitrée. Une caméra permet l’observation de l’évolution de la texture du matériau au cours de l’humidification. La prédominance des transferts en phase vapeur dans le processus de saturation du matériau, l’influence et l’évolution de la structure granulaire au cours de l’humidification et l’influence de la teneur en poudre sur la réponse macroscopique du mélange sont mis en évidence. Des lois de transferts hydriques sont proposées à partir des résultats et observations expérimentales et implémentées dans le code BIL. La perspective principale de ce travail est la réalisation de simulations à plus grande échelle en utilisant le modèle développé. Ainsi, des problématiques inhérentes à l’utilisation des mélanges de pellets et poudre, notamment la nature granulaire initiale et les hétérogénéités locales de densité, pourront être prises en compte
Bentonite based materials are considered as a sealing material in radioactive waste disposal concepts because of their low permeability, radionuclide retention capacity and ability to swell upon hydration, thus filling technological gaps. Within this context, bentonite pellet mixtures have been studied owing to operational convenience. Pellets are laid in the galleries in a dry state as a granular assembly. The mixture progressively becomes more homogeneous upon hydration by the pore water of the host rock. Before homogenisation, the granular structure of the material controls the macroscopic behaviour of the mixture.The present work focuses on the experimental characterisation and numerical modelling of a mixture of bentonite pellet and crushed pellet (powder), in proportion 70/30 in dry mass, a candidate sealing material in the French concept of radioactive waste disposal. The proposition, implementation and validation of a new modelling framework, considering features such as the initial granular structure of the material or local heterogeneities of densities, is the main objective of this PhD work.The influence of the initial granular structure is evidenced by performing suction-controlled swelling pressure tests in the laboratory, using samples of various powder contents. From grain-level experimental characterisation, a simple model describing the hydromechanical behaviour of a pellet is proposed and implemented in a Discrete Element Method (DEM) code. Using DEM and the proposed model, aforementioned swelling pressure tests performed on samples containing no powder are satisfactorily simulated. The same method is used to model large granular assemblies of various pellet densities upon hydromechanical loadings. Relevant parameters involved in the macroscopic behaviour of pellet mixtures in “granular” state are identified from simulation results and constitutive laws are proposed to describe the hydromechanical behaviour of these materials using a continuum mechanics approach.The transition from “granular” state to “homogenised” state is described by criteria proposed from experimental results and data available in the literature and involves suction and relative volume fractions of pellet and powder. A modified version of the Barcelona Basic Model is proposed to model the material behaviour in “homogenised” state. The proposed model is implemented in the Finite Element Method (FEM) code BIL. Using a single set of parameters, all swelling pressure tests performed in the laboratory are satisfactorily reproduced in FEM simulations along the entire hydration path.The material behaviour upon hydration in constant volume condition is finally studied at a larger scale by performing mock-up imbibition tests, using various powder contents. Cells have a square section; a glass side and a camera allow the texture to be observed during hydration. The dominance of vapour transfers in the saturation process of the material, the influence and evolution of the granular structure upon hydration, and the influence of the powder content on the macroscopic response are notably identified. Transfer laws are proposed to describe the observed material behaviour in the mock-up tests and implemented in BIL.The realisation of larger scale coupled simulations using the proposed hydromechanical model is a perspective arising from this PhD work. Predictive simulations could be performed at the structure scale, considering relevant features such as the initial granular structure and local heterogeneities of density in the sealing plugs

L'etude experimentale des interactions entre metaux lourds (co, ni, cu, zn, cd, pb) et une montmorillonite purifiee calcique est menee en considerant differentes conditions experimentales (force ionique moderee ou elevee, argile en suspension ou compactee). L'argile et les solutions utilisees sont prealablement caracterisees. Le mecanisme d'echange ionique est mis en evidence par analyse quantitative xps d'echantillons echanges avec cd et pb. Le traitement des resultats experimentaux obtenus en solutions de force ionique moderee et constante, par un modele d'echange ionique et sa fonction puissance permettent de retracer la repartition entre especes adsorbees et especes dissoutes, sur le code de calcul phreeqc. La theorie hsab (hard and soft acid and base) permet de quantifier la sequence de selectivite observee experimentalement pour cu, zn, cd et pb en reliant les proprietes de surface de l'argile a l'electronegativite et la softness des metaux. Une discussion est proposee concernant le role joue par l'heterogeneite energetique des surfaces basales de l'argile et l'hydratation des cations sur la selectivite. Des experiences en solutions de force ionique 3m, montrent l'adsorption anionique de zn et pb (essentiellement presents sous forme m(cl 4) 2 -) mettant en evidence le role preponderant de la speciation des metaux (determinee par le modele de pitzer) sur leurs interactions avec l'argile. Le reste de ce travail est consacre a deux applications de l'echange ionique : _ les performances hydrodynamiques et chimiques d'un geosynthetique bentonitique (gsb) et d'une couche d'argile dans un dispositif d'etancheite de fond de decharge, sont comparees par simulation. Compte tenu de leur faible epaisseur, les gsb ne peuvent pas etre consideres comme equivalents a une couche d'argile compactee ; _ l'utilisation d'argiles comme depolluants est envisagee par des experiences portant sur des effluents industriels reels. La calcination des argiles permet l'inertage des metaux.

Les smectites en suspension aqueuse sont des argiles gonflantes largement utilisées dans l'industrie pour leurs capacités d'adsorption, d'étanchéité, de transport ou de liant. Ces propriétés sont inégales en fonction des caractéristiques minéralogiques et physico-chimiques des suspensions. Ce travail a pour but de comprendre l'action de la charge interfoliaire sur les structures construites par le système eau argile en fonction de la concentration pour des smectites homoioniques ou mixte. Son originalité est de coupler des méthodes minéralogiques, physico-chimiques et une large gamme d'essais rhéométriques. Deux populations de smectites (Na+ et Ca2+) sont étudiées séparément puis en mélange. A faible concentration (inférieure à 60 g/l), les suspensions sodiques sont très visqueuses car les feuillets dispersés forment des réseaux. Les feuillets de smectite calcique sont associés en flocs aisément déformables rendant les suspensions peu visqueuses et rhéofluidifiantes. En mélange, les deux populations interagissent faiblement, lorsque le cortège d'échange d'équilibre est atteint (20 % de sodium), les viscosités sont minimales. A plus forte concentration (60 à 100 g/l), les courbes d'écoulement permettent de différencier un domaine de déformation viscoélastique, un domaine d'écoulement hétérogène (bandes de cisaillement) et un domaine d'écoulement homogène. L'étude de la thixotropie révèle l'existence de deux cinétiques de déstructuration/restructuration. L'étude de 12 bentonites brutes permet de monter que la rhéomètrie est un bon moyen de différenciation entre les bentonites sodique naturelle (Herschel-Bulkley), calcique naturelle (Newton) ou calcique activée (Bingham)
Smectites are swelling clays widely used in industry. Theirs mechanical properties are unequal according to their mineralogical and physicochemical characteristics. The aim of this study is to improve the knowledge of the interlayer cation impact on the structure built by the smectite-water system according to the concentration. Homo-ionic (Na+, Ca2+) and bi-ionic systems are observed. This study crosschecks mineralogical methods, physicochemical analysis and broad range of rheometric tests. At low concentration (less than 60 g/l) the calcium dispersions are shear thinning and few viscous due to the layer association in huge deformable flocks. The sodium smectite layers are dispersed; the dispersions are highly viscous. The lowest viscosity is detected for mix of 20 % of sodium smectite and 80 % of calcium smectite. At higher concentration (60 to 100 g/l), the yield stress and viscoelastic properties are studied by creep-recovery tests, oscillatory tests and imposed shear step. At the liquid state, the flow is first heterogeneous with a shear banding effect then homogeneous. The results make it possible to define the concentration area characteristic of each mechanical behavior (viscosity, shear thinning and yield stress) according to the saturation cation. The thixotropic properties are characterized with destructuring-restructuring tests. Two kinetics are determined. Finally we realize a data base with 12 natural and industrial bentonites. The rheograms would be efficient to differentiate the natural calcium bentonites (newtonian law), natural sodium bentonites (Herschel-Bulkley law) and activated calcium bentonites (Bingham law)

Ce travail porte sur l'utilisation de mélanges de sable et de bentonite pour la constitution des barrières passives des centres d'enfouissement techniques. La réglementation impose que le coefficient de perméabilité de cette barrière soit inférieur à 1*10-9 mis. Dans certains cas les - sites sont dépourvus de sols en place ayant ces caractéristiques, où bien ils ne disposent pas d'une épaisseur suffisante. Ces barrières pouvant être soumise à l'action des lixiviats en cas de défaillance de la barrière passive, se pose alors le problème de l'évolution de la perméabilité du mélange sable-bentonite sollicité par ces lixiviats. Le travail que nous avons mené se situe dans ce contexte. Dans une première partie nous avons cherché à définir à partir d'essais simples (gonflement, limites de consistance) les éventuelles interactions bentonite-lixiviat. Nous avons ensuite réalisé pour divers sables traités par divers pourcentages de bentonite de natures différentes des essais de perméabilité à l'eau et au lixiviat. Des modèles empiriques permettant d'estimer Je coefficient de perméabilité sont proposés
[This work is carry out on impervious barriers destined for landfill engineering composed by compacted sand-bentonite mixtures. French regulations require a barrier with a permeability less than lE-09rn/s. Standard tests often used in geotechnical engineering has allowed possible the establishment of a methodology to verify the behavoiur of this barrier during the presence of leachate. In the first part we have sought to define from swell tests and Atterberg limits tests the interactions bentonite-leachates. We realised the permeability testing to water and leachate for various samples constituted of compacted sand-bentonite mixtures. Emperical models allowed to estimate the permeability, tests results, experimental results and tests methods are proposed. ]

L’objectif de cette étude est la compréhension des mécanismes de diffusion des espèces inorganiques (H2O, Na+, Cl-, …) à travers une barrière de bentonite compactée. Une bonne compréhension de ces mécanismes est nécessaire, en effet, à l’extrapolation des résultats de mesures de diffusion en laboratoire à la prédiction de la performance d’une barrière argileuse en conditions in situ. Dans une première étape, à partir d’une étude précédente de la diffusivité apparente de l’eau et des ions dans la bentonite compactée (Bourg, 2004), nous avons obtenu une prédiction du coefficient de diffusion effectif de l’eau et des ions dans les argiles, en fonction de la densité sèche de la bentonite, et de la force ionique des solutions aqueuses en équilibre avec la bentonite. Une simplification permet d’appliquer ce modèle de diffusion à la bentonite fortement compactée, lorsque la quasi-totalité de l’eau de pore est présente dans les interfeuillets de la montmorillonite. Les prédictions ainsi obtenues du coefficient de diffusion effectif des ions Na+, Sr2+, et Cl- dans la bentonite MX-80 sont en bon accord avec les résultats expérimentaux obtenus avec ces mêmes ions (Chapitres 2 et 3). A partir de notre modèle de la diffusivité apparente de l’eau et des cations dans l’argile (Bourg, 2004), nous avons ensuite obtenu une expression reliant l’énergie d’activation de la diffusion de l’eau et des cations dans l’argile à l’énergie d’activation de leur diffusion dans l’eau pure et dans les interfeuillets de montmorillonite (Chapitre 4). Par comparaison aux résultats expérimentaux, ce modèle a permis de montrer que l’énergie d’activation de la diffusion du sodium est supérieure (de 3 à 8 kJ mol-1) dans les interfeuillets de l’hydrate à deux couches de montmorillonite sodique, à sa valeur dans l’eau pure. Enfin, nous avons montré précédemment que la cinétique de l’adsorption des cations dans les pores interfoliaires de la montmorillonite pourrait être affectée par la charge des surfaces des bords de feuillets de montmorillonite (Bourg, 2004). Cette charge varie avec le pH, avec l’adsorption ou la désorption des protons. Nous avons développé ici un modèle mécanistique de la titration de la montmorillonite, comprenant un seul paramètre non déterminé indépendamment, la surface spécifique des bords des feuillets de montmorillonite (Chapitre 5). Ce modèle a permis la description de résultats expérimentaux de plusieurs auteurs sur différentes montmorillonites sodiques, en suspension aqueuse dans les électrolytes de sel sodique (0,005 à 0,5 mol dm-3), à pH > 7
In the present study, we have investigated the diffusion of tracers of water and inorganic ions (Na+, Cl-,. . . ) through a compacted bentonite barrier. An understanding of the mechanisms of diffusion is necessary in order to extrapolate the results of laboratory scale diffusion experiments to the performance of an engineered clay barrier for the isolation of solid waste. From the model of the apparent diffusivity of water and ionic tracers in compacted saturated bentonite developped by Bourg (2004), we first obtained a model of the effective diffusion coefficient of tracers in highly compacted, saturated bentonite. This model successfully predicted experimental data of the effective diffusion coefficient of Na+, Sr2+ and Cl- tracers in highly compacted MX-80 bentonite (Chapters 2 and 3). We then derived a model of the activation energy of the apparent diffusivity of water and sodium tracers in compacted saturated bentonite (Chapter 4). By comparing the model to experimental data of the activation energy of sodium diffusion in compacted saturated bentonite, we could conclude that the activation energy of sodium diffusion in the interlayers of the 2-layer hydrate of Na-montmorillonite is 3 to 8 kJ mol-1 higher than the activation energy of its diffusion in pure water. Finally, in Chapter 5, we developped a model of the acid-base titration of aqueous suspensions of Na-montmorillonite [the pH-dependent charge of the edge surfaces of montmorillonite lamellae may affect the diffusion of ions through the interlayers (Bourg, 2004)]. Our titration model, using only one adjusted parameter (the specific surface area of the edge surfaces of montmorillonite lamellae) could describe experimental data of the titration of several montmorillonites over a wide range of ionic strengths (0. 005 to 0. 5 mol dm-3), at pH > 7 (the pH of pore water in compacted saturated bentonite

Lorsque les conditions et obligations relatives aux cellules de confinement de déchets s'y prêtent, une barrière minérale hydraulique d'étanchéité, compose de bentonite et renforcé par ajout de polymère, peut être disposée. Possédant une faible perméabilité, le temps de caractérisation de ces géomatériaux est long, ce qui rend difficile un pré-design rapide pour l'ingénieur. Des investigations pionnières et de nouveaux indices hydrauliques sont recherchés. Nous avons proposé d'expérimenter les géomatériaux à l'état liquide, basé sur la rhéologie et filtration. Les paramètres rhéologiques à l'état liquide ont été analysés puis transposés vers ceux de mécanique des sols (perméabilité) obtenus à l'état solide. Cette méthodologie s'est basée sur plusieurs bentonites, fluides (Incluant eau et CaCI2) deux polymères différents et du sable pour les mélanges compactés Les investigations HMC, de la littérature, et des essais de rhéologie et filtration, ont mis en évidence l'utilisation prometteuse de ces essais pour la comptabilité bentonite-fluide-polymère. L'expérimentation rhéologique en régime dynamique a été discutée, fournissant le paramètres les plus appropriés pour formuler un indice de performance. Deux approches ont été adoptées (gel el gonflement), reliant la conductivité hydraulique avec les paramètres rhéologiques. Les corrélations linéaires ont pu être observées, mais dépendent de la chimie du fluide et de l'ajout de polymère, manifestant l'influence du mixage et l'Importance du continuum liquide-solide
To comply with waste containment liners regulatory requirements, bentonite (moisture-reactive clay) based hydraulic sealing systems may be required, possibly enhanced using innovative polymer reinforcement. Due to the low hydraulic conductivity, the testing lime for characterisation in the laboratory is long, which makes it difficult for rapid engineering design. Pioneering investigations, as weil as new quick hydraulic indexes, are called for. Accordingly, experimental studies were undertaken on the geomaterials in their higher hydraulic conductivity liquid state, based on rheology and filtration. Liquid state rheological parameters were experimentally transposed into solid state soli mechanics parameters (specifically hydraulic conductivity). This methodology was based on test results for various bentonites, fluids (including water and CaCI2) two polymers and sand, for compacted sand-bentonite-polymer mixtures. Observations from HMC investigations, from the literature, and from rheology and. Filtration testing, showed compatibility for bentonite polymer-fluid mixtures over a range of states. Dynamic rheology testing was found to provide the most appropriate parameters to formulate a hydraulic performance index. Two approaches were adopted (gel and swelling), linking the hydraulic conductivity with rheological parameters. Linear correlations were observed, dependent on the fluid chemistry and polymer addition, manifesting the mixing affect and the significance of a liquid-solid continuum

Lors de la fermeture du stockage géologique des déchets radioactifs, l’ensemble des galeries souterraines sont remblayées et localement des scellements sont installés pour limiter la circulation de l’eau dans les ouvrages. Pour le remblaiement des galeries de Cigéo, l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx) remaniée, mélangée avec de la bentonite (MX80) est envisagée par l’Andra. Différentes solutions d'installation sont à l'étude et en particulier la forme de granules (pellets), une solution qui pourra offrir des avantages opérationnels. L’assemblage de pellets est mis en place dans des galeries à l'état sec. Cette structure granulaire est progressivement homogénéisée par le gonflement lors de l'hydratation par l’eau issue de la roche encaissante. Cette thèse se concentre sur la détermination et la fabrication de mélanges de pellets, ainsi que l'évaluation de son comportement hydromécanique. La granulométrie des pellets est choisie pour aboutir à la densité de mise en place la plus élevée possible, qui est caractérisée comme étant la granulométrie optimale. Le mélange COx/MX80 doit produire un comportement hydromécanique adéquat de manière à reprendre les vides technologiques inhérent à la mise en place, et à long terme, réduire le déplacement des blocs de revêtements lors de la rupture de celui-ci. L’objectif est de limiter un endommagement de la roche environnante. Des dépôts gravitationnels sont réalisés numériquement et expérimentalement, pour étudier la compacité d'un matériau granulaire, sans compactage mécanique. Des simulations utilisant la méthode des éléments discrets étudient l'effet granulométrique sur la densité de la mise en place, définissant un fuseau optimal. Des expériences supplémentaires sont menées pour évaluer et finaliser la sélection granulométrique qui maximise la densité du mélange. Les études examinent l'effet de paramètres supplémentaires (protocole de mise en place, frottement inter-particules, hauteur de dépôt,…) sur la compacité. La pelletization sur la base de la granulométrie choisie est réalisée pour la première fois sur des mélanges COx/MX80. La méthode de compression est appliquée en utilisant une machine à comprimés reconditionnée. La fabrication des pellets et l’optimisation de la production est analysée. Le comportement hydromécanique des mélanges COx/MX80 est étudié expérimentalement par des essais d'infiltration à volume libre et constant. Une étude paramétrique sur mélanges COx/MX80 en poudre est menée pour caractériser les propriétés physico-chimiques et évaluer leur capacité de gonflement aux densités attendues à la mise en place. En revanche, l'ensemble des pellets finalisé avec diverses compositions est directement testé en termes de pression de gonflement et de conductivité hydraulique
The safe operation of the geological disposal facilities for radioactive waste indicates the galleries progressive closure, by installing sealing and backfill materials. The French disposal concept examines the crushed excavated Callovo-Oxfordian (COx) claystone with bentonite additive (MX80) as backfill material. One of the ongoing studied backfill solutions considers the pelletized implementation of the mixture, due to potential set-up advantages. The pelletized mixture is emplaced inside the galleries at dry state, presenting initially a granular structure, gradually homogenised, due to swelling upon hydration from the groundwater of the surrounding rock. Objective of the PhD thesis is the determination and manufacturing of the pelletized mixture, as well as the analysis of its hydro-mechanical behaviour. The pelletized granulometry is selected to result in the highest possible packing density, defining the optimum grain size distribution (GSD). The implemented COx/MX80 backfill needs to present hydro-mechanical properties capable of limiting the voids after the saturation on the drift as well as blocking the concrete movement when liners cracking will occur in the long-term. Numerical and experimental gravitational deposits are conducted, to study the compactness of a granular material, without mechanical compaction. Simulations using the Discrete Element Method (DEM) investigate the granulometric effect on the granular material’s packing state, determining an optimum GSD. Supplementary experiments are used to evaluate and finalise the granulometric selection maximising the resulting density. Both studies investigate the effect of additional parameters (implementation protocol, inter-particle friction, deposit height,…) on the packing state. The pelletization of the selected GSD is performed for the first time on COx/MX80 powdered mixtures, by applying the compression method on a reconditioned tablet machine. The process is analysed to successfully fabricate pellets and optimise the challenging pellet production. COx/MX80 mixtures hydro-mechanical behaviour is experimentally investigated by performing infiltration tests under free and confined volume conditions. A parametric study on various powdered mixtures is conducted to characterise the materials physicochemical properties and evaluate their swelling capacity at densities expected on the backfill implementation. On the other hand, the finalised pellets assembly on various compositions is directly tested in terms of swelling pressure and hydraulic conductivity

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Cette thèse est constituée de deux parties indépendantes. La première consiste à former de nouveaux systèmes catalytiques hétérogènes par intercalation d’éthylacétonate de cuivre et de fer dans une argile : la bentonite. Pour cela, celle-ci est purifiée avant d’inclure les deux complexes. Une étude de l’activité de ces deux matériaux a été réalisée avec le diazoacétate d’éthyle afin de former le fumarate et le maléate d’éthyle. Des réactions d’insertion de carbènes ont ensuite été étudiées avec des amines et des alcools en vue de former respectivement des a-oxa et a-aza acétates d’éthyles avec des rendements de l’ordre de 60 à 95%. L’objectif de la seconde partie est d’étudier, en milieu homogène, la réaction de cyclopropanation asymétrique d’alcènes catalysée au cuivre (I) ; les motifs cyclopropaniques étant présents dans de nombreux composés possédant des activités biologiques. Pour ce faire, la synthèse de nouveaux ligands oxazolines et imines issus de l’isosorbide et l’isomannide, deux composés de la biomasse a été réalisée. Complexés au cuivre (I), ces ligands ont été évalués pour la cyclopropanation asymétrique du styrène, de l’ a-méthylstyrène, de l’indène, de l’oct-1-ène en présence de diazoacétate d’éthyle. La cyclopropanation du cyclopentène a de même été réalisée. Divers paramètres ont été examinés afin de déterminer les meilleures conditions réactionnelles. Les résultats les plus significatifs en terme de diastéréosélectivité et d’énantiosélectivité ont été obtenus lors de la cyclopropanation du styrène avec un complexe oxazoline/CuI (diastéréoselection trans/cis : 90/10, ee : 93% pour l’isomère trans). De plus, nous avons montré qu’un système diimine/Cu(CH3CN)4PF6 a donné des stéréosélectivités similaires pour la cyclopropanation du styrène et de l’ a-méthylstyrène, indiquant ainsi que ce système était moins substrat dépendant
This thesis is divided in two independent parts. The first concerns the development of new heterogeneous catalytic systems involving intercalation of ethylacetonate copper and iron complexes in a clay: the bentonite. For this purpose, the bentonite is purified prior to the inclusion of the two complexes. A study of the catalytic activity of these two materials was performed with ethyl diazoacetate to form ethyl fumarate and maleate. Carbene insertion reactions were then studied with amines and alcohols to form respectively a-oxa and a-aza ethyl acetate derivatives in 60 to 95% yields. The aim of the second part is to study, the homogeneous catalytic asymmetric cyclopropanation reaction of alkenes catalyzed by copper (I) complexes; the cyclopropane unit being present in many compounds presenting biological activities. For that purpose, the synthesis of new oxazolines and imines ligands derived from isosorbide and isomannide, two compounds of the biomass was performed. Complexed with copper (I), these ligands were evaluated for the asymmetric cyclopropanation of styrene, of a-methylstyrene, indene, of oct-1-ene in the presence of ethyl diazoacetate. Cyclopropanation of cyclopentene was similarly performed. Various parameters were examined to determine the best reaction conditions. The most significant results in terms of diastereoselectivity and enantioselectivity were obtained in the cyclopropanation of styrene with a complex oxazoline/CuI (diastereoselection trans/cis: 90/10, ee : 93% for the trans isomer). Furthermore, we showed that a catalytic system formed by a diimine and Cu(CH3CN)4PF6 gave similar stereoselectivities for the cyclopropanation of styrene and a-methyl styrene, indicating that the system is less dependent on the nature of the substrate