Étude expérimentale des propriétés rhéologiques et mécaniques des remblais miniers en pâte cimentés incorporant des superplastifiants

Le remblai minier en pâte cimenté (RPC) est un mélange de résidus miniers avec du liant (2 à 8% par rapport à la masse de résidus secs) et d’eau de mélange. Ce matériau est retourné sous terre de manière sécuritaire pour constituer principalement un support de terrain dans les mines souterraines. En raison de la possibilité d’utiliser des résidus nocifs et de réduire une partie importante des résidus stockés en surface, cette méthode de remblayage revêt des avantages environnementaux qui justifient son adoption à travers le monde. La tendance actuelle dans la technologie du RPC est l’incorporation d’une grande quantité de résidus solides dans la recette des RPCs améliorant ainsi à la fois leur résistance mécanique et leurs avantages environnementaux. Cependant, dans la pratique, la quantité de résidus entrant dans la recette des RPCs est souvent limitée à cause des propriétés rhéologiques (seuil de cisaillement et la viscosité) inadéquates induites par une densification très élevée affectant leur transport en pipelines. Pour une plus grande flexibilité dans la mise en oeuvre de la technologie de remblayage avec du RPC, le recours à des adjuvants réducteurs d’eau de grande portée appelés superplastifiants (SP) constitue une avenue de recherche peu explorée. Ces SPs sont capables de fluidifier les matériaux cimentaires de grande concentration solide suite à l’adsorption de leurs molécules sur les phases solides des suspensions. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le comportement rhéologique et mécanique des remblais à forte concentration solide et incorporant des superplastifiants en vue d’évaluer les aspects économiques et environnementaux de l’utilisation de superplastifiants dans les recettes de remblais. Plus spécifiquement, cette étude vise: 1) à optimiser les dosages de superplastifiants permettant d’améliorer les propriétés rhéologiques en vue de rencontrer les critères couramment utilisés pour le transport des remblais selon différents pourcentages solides compris entre 75 et 80%; 2) à évaluer la performance des SPs dans les remblais très visqueux en suivant l’évolution de différents paramètres rhéologiques notamment le seuil de cisaillement, les indices de consistance et d’écoulement du modèle de Herschel-Bulkley, en fonction d’un ensemble de variables inhérents aux composants du remblai notamment le type et le dosage des superplastifiants, le type et la teneur en liant, les caractéristiques des résidus, et des procédures de cisaillement rhéologiques; 3) à étudier l’effet des superplastifiants sur la résistance mécanique des remblais à forte concentration solide pour déterminer les potentiels gains de résistance en compression comparativement aux remblais sans superplastifiants; 4) enfin évaluer sur la base des résultats rhéologiques et mécaniques les implications économiques et environnementales de l’usage des SPs dans les recettes de remblais. Pour atteindre le premier objectif, le programme expérimental a examiné la compatibilité de deux types de superplastifiants à base de polycarboxylate (PC 1 et PC2) sur deux types de liants à savoir le ciment portland ordinaire (GU) et un ciment composé de 20% GU et 80% de laitier de haut fourneau (noté S-GU). Les propriétés rhéologiques des RPCs préparés à 76% de solide (initialement 75% visé) et 4,5% de chaque type de liant et incorporant des dosages de 0,045%, 0,059%, 0,068%, 0,081%, 0,09% et 0,103% (par rapport à la masse sèche de résidus) de PC1 et PC2 ont été évaluées à 10, 60, 120 et 180 minutes après l'ajout du liant au mélange par des essais d’affaissement au petit cône d’Abrams et d’écoulement à travers un entonnoir en «V» ainsi que par des essais rhéologiques à l’aide du rhéomètre Con tec 6. Cette phase des essais a permis de déterminer le dosage de saturation qui était de 0,09% pour les deux superplastifiants et le couple S-GU–PC2 comme la combinaison la plus compatible. Ce couple a été utilisé par la suite dans des recettes de remblais avec des pourcentages solides (Cw) plus élevés soient 78% et 80. En se fondant sur les plages d’affaissement au cône d’Abrams permettant le bon pompage des remblais tel que défini dans la littérature (entre 152 mm ou 6 pouces et 254 mm ou 10 pouces), les intervalles de dosages minimum de PC2 selon le pourcentage de solide pour un pompage adéquat ont été établis. Pour le deuxième objectif, l’évolution des paramètres du modèle de Herschel-Bulkley (le seuil de cisaillement, l’index (n) et la consistance (K) a été analysé selon divers facteurs comme le dosage du superplastifiant, le type de superplastifiants, la méthode d’ajout du SP, le pourcentage et le type de liant utilisé, l’effet de l’âge et les caractéristiques de résidus. De cette analyse, il ressort que le seuil de cisaillement et l’index (n) diminuent avec l’augmentation des dosages de SP tandis que la consistance (K) a tendance à augmenter. En se basant sur l’évolution du paramètre index (n) des courbes d’écoulement des remblais, il ressort que l’augmentation des dosages de SP entraînait le passage d’un comportement rhéoépaississant (n > 1) vers un comportement rhéofluidifiants (n < 1) en passant par un comportement binghamien (n=1). Le dosage minimal de 0,121% permettant un pompage facile du RPC a ensuite été utilisé pour comparer la performance d’autres superplastifiants de types PC ainsi qu’un polynaphtalène de sodium (PNS) et un polymélamine de sodium (PMS). La consistance K a pu être corrélée avec l’index n par une relation linéaire semi-logarithmique avec un coefficient de corrélation R2 de 0,92. L’objectif 3 de cette thèse a été abordé en deux phases. Une première phase a consisté à déterminer la consistance et la résistance mécanique des remblais à 80% solide avec 4,5% de liant (S-GU) et incorporant des dosages de 0,09%, 0,121%, 0,135% et 0,153% de 3 superplastifiants de type polycarboxylate (PC1, PC2, et PC3) préparés avec un premier type de résidus T1 à 80% de concentration solide massique et 4,5% d’un liant S-GU (composé de 80% de laitier de haut fourneau et de 20% de GU). Un dosage minimal de 0,121% par masse sèche de résidus pour chaque type de PC a donné un RPC facilement pompable, avec un affaissement minimal de 152 mm (6 pouces). La deuxième phase a utilisé ce dosage minimal de 0,121% de SP pour évaluer l’influence de différents facteurs incluant les modes d’addition du SP (ajout direct et ajout indirect), les pourcentages de liant (3,5%, 4,5% et 6% de S-GU), le type de liant (GU), d’autres types de superplastifiants (PC4, PNS et PMS), et un deuxième type de résidus (T2) sur la consistance et la résistance mécanique des remblais. Les résultats des tests ont montré que l'ajout de SP améliorait la consistance et la résistance à la compression du RPC. Les PC ont induit des affaissements plus élevés que le PNS et le PMS tandis les UCS à 28 jours étaient assez comparables. Le pourcentage d'augmentation de l'UCS à 28 jours de cure pour le RPC incorporant du SP variait de 21% à 29% par rapport à celui de RPC témoin (sans SP), en fonction de la teneur en liant. Les résultats sont discutés en termes d'impact de l'ajout de SP sur l'évolution de la microstructure de RPC et du rapport eau /liant, les contributions du SP au gain de résistance et le potentiel de réduction de la teneur en liant des RPCs. En utilisant la théorie de remblai équivalent, le remblai à 75% solide avec 4,5% de liant S-GU mais sans superplastifiant a été défini comme le remblai de référence sur la base de son affaissement et de sa résistance mécanique à 28 jours. Les affaissements et les résistances à la compression des remblais à 80% solide avec 3,5% de liant S-GU et incorporant le dosage minimal de 0,121% de PC étaient proche de celles du remblai de référence. Ils ont alors été considérés comme équivalents dans l’analyse des coûts et bénéfices de l’utilisation des SPs. Les potentielles économies réalisables sur le liant et l’eau, de même que les résidus secs supplémentaires pouvant être ajoutés à la recette de référence, ont été évalués. Mais les coûts associés à l’achat des SPs au dosage minimal de 0,121% et au prix unitaires actuels sont largement supérieurs à l’économie de liant (sans tenir compte des quantités de résidus supplémentaires susceptibles d’être ajoutés au remblai de référence suite à l’utilisation de SP, qui peuvent être appréciables).