Influence de la carbonatation sur les matrices stabilisées/solidifiées

Introduction

La technique de stabilisation/solidification (S/S), une technique de réhabilitation non destructive, sert largement, depuis les années 1970, au traitement des déchets dangereux [1]. La technique consiste à utiliser un liant hydraulique, généralement du ciment Portland ordinaire, pour transformer le sol contaminé en un solide (monolithe) ayant une bonne intégrité structurelle et physique (solidification) et à convertir chimiquement les contaminants sous une forme moins soluble et moins mobile (stabilisation) [2]. Ainsi, elle empêche la migration des contaminants dans l’environnement, en réduisant leur mobilité, et s’avère très économique pour traiter de grands volumes de déchets.

Bien que l’efficacité à court terme de cette technique soit prouvée, la durabilité des monolithes peut être affectée par des phénomènes d’altération physique et chimique comme le gel/dégel, le mouillage/séchage, les pluies acides et la carbonatation atmosphérique [3; 4]. La carbonatation causée par le dioxyde de carbone atmosphérique est l’altération chimique la plus courante des matières cimentaires dans l’environnement [5]. Pendant la carbonatation, la portlandite (Ca(OH)2), ou CH, et le silicate de calcium hydraté (C-S-H), principaux produits de l’hydratation du ciment (Deschamps et al., 2006), se transforment en carbonate de calcium (CaCO3), ou CC.

Relargage du plomb en fonction du pH

Pour cette étude, nous avons produit une matrice stabilisée/solidifiée contenant de l’oxyde de plomb (PbO) en mélangeant du ciment (20 %), de l’eau (14 %), du sable (63 %) et des poudres d’oxyde (3 %), tout en maintenant le rapport eau/ciment (E/C) constant à 0,7. Après le démoulage, la matière S/S a été durcie sous humidité relative élevée pendant 28 jours. Nous avons mis au point en laboratoire une méthode pour accélérer la carbonatation, tout en maintenant les conditions expérimentales stables. Pour accélérer la carbonatation, nous avons introduit un mélange d’air et de CO2 (30 %) dans une série de colonnes contenant les agrégats de S/S à humidité et à température constantes.

La figure 1 montre les résultats expérimentaux de la solubilité du plomb en fonction du pH pour des matrices non carbonatées (NC S/S PbM) et carbonatées (Carb S/S PbM) pendant 28 jours (cercles remplis et vides, respectivement, dans la figure 1). La figure 1 présente également les résultats des essais de lixiviation dans l’eau à l’équilibre, après différentes périodes d’exposition au CO2, soit 0,5, 1, 3, 7, 14 et 28 jours (triangles). La solubilité du plomb diminue avec la diminution du pH causée par la carbonatation. Elle passe sous 1 mg/L à des pH entre 8.5 et 10.5 Elle atteint un minimum à un pH proche de 9en raison de la formation de cérusite (Pb(CO3)) et d’hydrocérusite (Pb3(CO3)2(OH)2) insolubles. Par contre, le plomb est plus soluble à pH très acide ou alcalin en raison de la dissolution de la cérusite et de l’hydrocérusite. En effet, comme le montre la figure 1, le plomb en solution atteint 171 mg/L au pH initial de la matrice NC S/S PbM (12,49) et 2809 mg/L à un pH très acide de 0,74, en passant par un minimum de 0,158 mg/L à un pH légèrement alcalin de 9.

Comme le montre la courbe Carb S/S PbM, la carbonatation favorise la rétention du plomb dans le monolithe en diminuant sa concentration en solution acide et basique, et en élargissant la plage de pH pour laquelle sa solubilité est inférieure à 1 mg/L. En fait, au pH initial de la matière carbonatée (10,66), la concentration de plomb (0,3 mg/L) est 570 fois plus faible qu’au pH initial de la matrice non carbonatée. Près d’un pH de 6, la concentration de plomb dans le lixiviat est de 0,7 mg/L pour la matrice Carb S/S PbM et de 1000 mg/L pour la matrice NC S/S PbM. Cette réduction se poursuit jusqu’à un pH de 2,5 où les deux courbes se rejoignent.

Figure 1. Rejet de plomb en fonction du pH du lixiviat pour la matrice NC S/S PbM et la matrice Carb S/S PbM

Résultats des analyses thermogravimétriques

Les analyses thermogravimétriques (ATG) ont permis de suivre l’évolution de la carbonatation dans le temps en quantifiant les phases du ciment après hydratation et le carbonate de calcium présent dans le monolithe après différents temps de contact. Les courbes ATG et DTG (dérivé thermogravimétrique) correspondent respectivement à la perte de masse cumulative des phases de matière S/S et à la dérivée par rapport à la température de cette perte. La courbe DTG met en évidence les points d’inflexion associés à la décomposition de chaque phase minérale.

Nous avons d’abord effectué des analyses sur une matrice non carbonatée (Fig. 2) représentant les monolithes avant la carbonatation. Puis nous avons fait la même expérience sur une matrice artificiellement carbonatée (Fig. 3) représentant les monolithes après 28 jours de carbonatation.

Comme le montre la Fig. 2, la matrice non carbonatée est riche en hydrates de ciment (C-S-H, ettringite et CH). Des pertes de masse de 4,5 %, 2 % et 1,45 % ont été observées lors de la déshydratation du C-S-H, de l’ettringite et du CH, respectivement. Toutefois, la perte de masse associée à la décomposition du carbonate de calcium n’a été que de 0,7 %. Après la carbonatation (fig. 3), la perte de masse maximale de la portlandite a été réduite à 0,3 %. Par contre, la perte de masse du carbonate de calcium est passée de 0,7 % à 5,5 %.

Figure 2. Résultats de l’ATG : Perte de masse de la matrice contaminée par le plomb avant la carbonatation

Figure 3. Résultats de l’ATG : Perte de masse de la matrice contaminée par le plomb après 28 jours de carbonatation

Conclusion

La carbonatation a un effet positif sur le monolithe contaminé par le plomb en favorisant la fixation de ce polluant dans le solide, probablement en raison de la précipitation de carbonate de plomb, diminuant sa concentration en solution à pH acide et basique, et élargissant la plage de pH pour laquelle le plomb a une faible solubilité.

Les analyses thermogravimétriques (ATG) démontrent que la matrice s’est progressivement appauvrie en portlandite jusqu’à épuisement, pendant les 28 jours de carbonatation, et s’est enrichie en carbonate de calcium, indiquant ainsi la transformation totale de cet hydrate en calcite. La participation du C-S-H dans la production de ce minéral a également été prouvée.

Notre étude montre que la carbonatation peut provoquer un changement dans la minéralogie des sols traités au S/S ayant un effet positif sur la rétention du plomb.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter les articles suivants :

Sarra El Bedoui, François Duhaime, Jean-Sébastien Dubé. 2017. « Influence of carbonation on the release of arsenic and lead and on chemical and mineralogical properties of cementitious matrices. »
(Influence de la carbonatation sur le relargage de l’arsenic et du plomb et sur les propriétés chimiques et minéralogiques des matrices cimentaires) GeoOttawa 2017 : 70 years of Canadian Geotechnics and Geoscience (Ottawa, ON, Canada, Oct. 01-04, 2017).

Sarra El Bedoui, François Duhaime, Jean-Sébastien Dubé. 2018. « Impact of carbonation on chemical and mineralogical properties of stabilized and solidified matrices. » GeoEdmonton 2018—71st Canadian Geotechnical Conference and the 13th Joint CGS/IAH-CNC Groundwater Conference (Edmonton, AB, Canada, Sept. 23–26, 2018).