Étude du transfert de chaleur dans les remblais en pâte cimentés curant sous les conditions aux frontières des chantiers miniers dans le pergélisol.

Le développement de la résistance mécanique du remblai en pâte cimenté (RPC) mis en place dans les chantiers souterrains est influencé entre autres facteurs par la température de cure. Dans le cas particulier du remblayage des chantiers miniers situés dans le pergélisol, la connaissance de du champ de température dans le RPC et son évolution suite aux échanges de chaleur avec l’encaissant est importante pour l’optimisation de recettes de mélange au laboratoire. Des codes numériques validés constituent de bons outils pour prédire le comportement thermique du RPC in situ. Dans le cas du remblayage de chantiers miniers dans le pergélisol, il n’existe presque pas de données expérimentales pour valider ce type de codes et l’effet de la salinité des eaux (inévitable dans ces conditions) a été peu étudié. L’objectif de cette étude était de développer de nouveaux outils pour prédire les conditions thermiques de cure du RPC à l’échelle d’un chantier souterrain dans le pergélisol. Pour cela, il fallait: a) étudier l'influence de la température et de la salinité sur l’évolution des propriétés thermiques en fonction du temps de cure du RPC; b) réaliser des essais de transfert de chaleur 1D et 3D dans le RPC afin d’obtenir des données expérimentales requises pour le calage et la validation des modèles numériques développés avec le module « Heat Transfer » du code COMSOL Multiphysics® et enfin; c) utiliser le modèle numérique validé pour étudier le transfert de chaleur dans le RPC curant sous les conditions aux frontières des chantiers miniers dans le pergélisol. L'influence de la température et de la salinité sur l’évolution des propriétés thermiques (conductivité et capacité thermiques) a d’abord été étudiée. L'analyseur de propriétés thermiques KD2 Pro a été utilisé pour cela. Ces propriétés ont été déterminées pour différents matériaux préparés à un pourcentage solide Cw = 76,3 %, à savoir des résidus en pâte (RP) contenant 0 % de liant (témoin) et de RPCs avec 3 et 5 % de ciment Portland à haute résistance initiale HE (par rapport à la masse sèche des résidus). Des eaux de gâchage avec des concentrations en sels variant de 0 à 10 g/L étaient utilisées. Les variations des propriétés thermiques étaient mesurées à trois températures de cure, soit -8 °C, 2 °C et 22 °C. Les résultats indiquent que le pourcentage de liant Bw (0, 3 et 5 %), la concentration de sels dans l'eau de gâchage (0 à 10 g/L) et les températures positives (2 et 22 °C) ont une influence négligeable sur les propriétés thermiques au cours du temps de cure. Toutefois, le gel (température de -8°C) a une grande influence sur les propriétés thermiques du RP et des RPCs étudiés : augmentation de la conductivité thermique et diminution de la capacité thermique. Des simulations physiques de transfert de chaleur 1D (dans du RP et des RPCs) et 3D dans du RPC ont été réalisées ensuite afin d’obtenir des données expérimentales requises pour la validation de modèles numériques. Le transfert de chaleur 1D a été simulé dans six colonnes en plexiglas de 1 m de hauteur et 14 cm de diamètre remplies de RP ou de RPC à 76,3 % solide. Trois de ces colonnes avaient des surfaces latérales isolées thermiquement (à l’aide de panneaux rigides en polystyrène extrudé) pour limiter les pertes de chaleurs au niveau de la paroi. Les bases de ces colonnes étaient faites en acier pour assurer un meilleur transfert de chaleur du congélateur au remblai et, ont été ensuite soumises à une température contrôlée variant autour de -10 °C. Chacune de ces trois colonnes a été instrumentée avec 4 sondes pour mesurer l’évolution de la température. Trois de ces 4 sondes étaient montées dans l’axe central de la colonne, à 1, 30 et 60 cm à partir de la base de la colonne. La dernière sonde était fixée au niveau de la paroi intérieure à 30 cm de la base de la colonne. Les trois autres colonnes n’étaient pas isolées thermiquement et étaient curées à la température ambiante du laboratoire qui oscillait autour de 23 °C. Ces colonnes étaient instrumentées comme dans le cas précédent, mais n’avait pas de sonde à 1 cm de la base de chaque colonne. Les trois colonnes de chaque groupe étaient respectivement remplies de RP (Bw = 0 %) et de RPC avec Bw = 3 et 5 % du ciment Portland, type HE. La variation du pourcentage de liant Bw avait pour but d’étudier son influence sur la chaleur générée par l’hydratation du liant. Le transfert de chaleur 3D a été simulé à l’aide d’un baril en plastique de 54 cm de diamètre et 90 cm de hauteur rempli de RPC avec Bw = 5 % du ciment Portland, type HE. Le baril a été équipé de sept sondes, trois disposées dans l’axe central du baril, à 1, 30 et 60 cm de la base du baril. Les quatre autres étaient fixées au niveau de la paroi dans deux plans verticaux perpendiculaires (deux sondes dans chaque plan à 30 et 60 cm de la base du baril). Ce baril a été ensuite refroidi dans une chambre froide à une température contrôlée qui fluctuait aux alentours de -11 °C. Pour tous les matériaux utilisés dans ces modèles physiques, l’eau de mélange avait une concentration en sels de 5g/L. Lors du démantèlement de colonnes, le gel a été observée jusqu’à environ 15 cm de hauteur de la base des colonnes à 0 et 5 % de liant et à environ 20 cm à la base de la colonne à 3 % liant (colonne placée entre les deux autres et par conséquent mieux isolée que les deux autres). Dans le baril, il y a eu un gel rapide partant de la paroi vers le milieu de celui-ci. Les modélisations numériques de ces tests avec le module « Heat Transfer » du code COMSOL Multiphysics® ont donné des résultats qui concordent avec les résultats obtenus des modèles physiques. Le modèle numérique calé et validé a été finalement utilisé pour étudier le transfert de chaleur 3D dans le RPC curant sous les conditions aux frontières des chantiers miniers souterrains dans le pergélisol. Un chantier typique de 25 m de haut, 18 m de long et 10 m de large a été simulé. Ce chantier était rempli instantanément d'un RPC contenant 5% de liant en laissent une couche d’air d’1 m en surface. Les résultats de simulations numériques indiquent que la température dans le RPC diminue progressivement en fonction du temps et la masse entière du RPC a gelé 5 ans après le remblayage du chantier. Les simulations numériques montrent également que la température d'équilibre du pergélisol de - 6 ° C n'a pas été atteint dans la masse du RPC même après une période de cure de 20 ans. Les résultats des simulations dépendent de plusieurs facteurs d’influences (distance d’application de la condition aux frontières, type de roche du pergélisol, température de déposition du RPC, température initiale du pergélisol, les dimensions du chantier, etc.). L’étude de ces facteurs d’influences a montré que la distance d’application de la condition aux frontières dans le pergélisol peut ou non avoir une influence sur la distribution de température dans le RPC. L’influence du type d’encaissant a été étudié en considérant trois types de roches, le basalte, le granite et la dolomite. Cette étude a révélé que le type de roche de pergélisol n’a pas d’influence significative sur la distribution de la température entre le RPC et le pergélisol. L’analyse de l’effet de la température de déposition du RPC a montré que l’augmentation de la température de déposition du RPC entraine également l’augmentation de la zone de dégel du pergélisol à partir de l’interface RPC-pergélisol. L’étude de l’influence de la température du pergélisol a indiqué que pour une température de déposition du RPC fixe, la diminution de la température du pergélisol accélère la baisse de la température dans le RPC et inversement. Relativement à l’effet de la géométrie, la variation de la profondeur, de la largeur et de la hauteur de chantiers a une influence sur la distribution de la température dans le RPC. La diminution de la profondeur et/ou largeur et/ou hauteur du chantier accélère la diminution de la température dans le RPC et inversement. La variation de l’inclinaison du chantier n’affecte pas la distribution de température dans le RPC