Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008

EFFET D’HUILE DE VIDANGE SUR LES PROPRIETES GEOTECHNIQUES D’UN SEDIMENT STABILISE INFLUENCE OF USED MOTOR OIL ON GEOTECHNICAL PROPERTIES MODIFICATION OF STABILIZED SEDIMENTS Javad BEHMANESH1 et Salim MEZAZIGH2 1,2 Université de Caen, Laboratoire M2C, UMR 6143 CNRS, 24 Rue des Tilleuls, 14000 Caen, France,

RÉSUMÉ - L’accumulation des sédiments dans les installations portuaires est un phénomène inéluctable. Le dragage revêt donc une importance primordiale pour le maintien de la navigation. Le problème étant le stockage ou le rejet en mer de cette vase surtout dans le cas de contamination par des polluants. Cet article présente l’effet de la présence d’huile usagée de moteur sur les changements des propriétés géotechniques des sédiments dragués et traités par un mélange de ciment, fumée de silice et additifs. ABSTRACT - The accumulation of sediments in port facilities is an inevitable phe-nomenon. Therefore, dredging has a vital importance for the maintenance of naviga-tion. The problem is the stockpiling or the discharge of the sludge to sea, especially in case it is contaminated by pollutants. This article presents the effect of the pres-ence of used motor oil on the changing of the geotechnical properties of the dredged sediments which are treated by a mixture of cement, silica fume and additives.

1. Introduction Les humains souillent des sédiments des différentes manières. Les sédiments contaminés sont non seulement un problème pour les écologistes mais également pour les ingénieurs géotectoniques. Quand un sédiment est contaminé par des hy-drocarbures, ses propriétés géotectoniques sont modifiés (Khamechiyan et al., 2007). La participation au développement durable se décline selon plusieurs axes. Un des axes consiste à recycler ou valoriser la majorité des déchets. Pour inciter à cela, selon la décision 92/2 de Paris et Oslo, interdit d’immerger en mer des sédi-ments contenant plus de 1 % d’huile d’hydrocarbure (Al-Anasary et Al-Tabbaa, 2007). Selon Das (1994), les sédiments et les sols secs n’ont pas la propriété plasti-que. L’utilisation d’un sédiment contenants des hydrocarbures dans le domaine de génie civil a besoin d’abord d’une analyse et une étude de caractérisation physico-chimique en laboratoire. La contamination des sédiments par des hydrocarbures peut provenir de différentes origines (fuite d’huile de canalisations endommagés, bateaux accidentés, décharge des équipements côtiers ou équipements de production du pétrole, etc). Un exemple typique est les flaques d’huile au Kuweit pendant la guerre du golf Persique(Tajik, 2004). La chaux et/ou le ciment ont déjà été ajoutés aux sé-diments pour améliorer leurs propriétés physiques pendant des siècle (Chew et al., 2004). Ce processus est généralement connu sous le nom de stabilisation à la chaux ou au ciment. Shin et Das (2001), ont examiné la portance d’un sable contaminé par une huile. Ils ont observé que la portance de sable diminue avec l’augmentation de dosage en huile.

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Dans cet article, on présente l’étude de l’effet de la présence d’une huile type hy-drocarbure sur les propriétés géotechniques des sédiments dragués au port auto-nome du Havre. Pour comprendre le comportement géotechnique des sédiments contenant une hydrocarbure, on a étudié deux dosages : 2 % et 4 % du poids des sédiments séchés mélangés à une huile de moteur usagée. Dans cette étude de va-lorisation de sédiment, on a également utilisé quatre liants ont été utilisés: ciment, chaux, cendre volant et fumée de silice. 2. Méthodes et matériaux 2.1. Matériaux utilisés 2.1.1. Sédiments dragués Les sédiments de la présente étude sont issus du dragage au port autonome du Havre. La granulométrie des sédiments a été déterminé à l’aide de la granulométrie au laser par voie humide. La figure 1 et le tableau I présentent la granulométrie et les propriétés physiques des sédiments étudiés.

Tableau I : Caractéristiques des sédiments dragués

Médiane (µm) 8 Teneur en fines(< 80 µm) 92% Les différentes fractions Argile (< 2 µm) Limon Sable D10 D60 D30 Cu Cc ρs (gr/cm3

) Teneur en eau naturelle (W%) Limite de plasticité Limite de liquidité L’indice de plasticité Activité Teneur en matière organique

20 % 70 % 10 % 0,6µm 10µm 3,5µm 16.67 2,04 2,54 155,2 34,2 % 67,1 % 32,9 % 2,06 1,31 %

2.1.2. Les liants Dans cette étude, on a utilisé quatre types de liants hydrauliques : cendre volante, ciment, chaux et fumée de silice. La composition chimique de la cendre volante utili-sée (Sodeline 2005) est donnée dans le tableau II:

Tableau II: Composition chimique de la Sodeline 2005 (%) SiO2 Fe2O3 Al2O3 MgO MnO2 CaOtotal CaO libre Na20 K20 SO3 47.36 7.09 21.63 3.32 0.62 8.52 0.90 0.46 4.35 4.02 La composition chimique et les caractéristiques physiques du ciment Calcia utilisé sont résumées dans le tableau III. De même les caractéristiques de la chaux utilisée sont présentées dans le tableau IV.

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Figure1: Courbes granulométriques des sédiments dragués au porte autonome du Havre

Tableau III : Composition chimique et caractéristiques physiques du ciment Calcia Dénomination des produits

C3A

C3S

C2S

SO3

Résistance Mécanique du

mortier en Mpa (28 jours)

Finesse Blaine (cm2/g)

Chaleur d'hydratation

à 41 h en J/g

CEM II/B-M(S-L) 32,5R CE CP1

NF

6,6

68,1

9

2,5

49

3840

253

Tableau IV : Propriétés chimiques et physiques de la chaux utilisée pH CEC (meq/100gr) EC (ms/cm) Gs

12,6 16,43 6,29 2,45 3. Résultats et interprétation 3.1. Détermination de la teneur en eau des sédiments contenant des hydrocar-bures En général, la teneur en eau d’un sol ou d’un sédiment peut être calculée par : 100*%

s

w

www = (1)

avec : : teneur en eau, : masse de l’eau, : masse des sédiments %w ww sw

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Cependant cette relation n’est pas valable pour des sédiments contaminés par des matières organiques types hydrocarbures car dans notre cas, une proportion de l’huile de moteur utilisée peut s’évaporer même à la température ambiante. Cette évaporation dépend des propriétés physiques et chimiques de l’huile, de la tempéra-ture et de l’humidité ambiante, des sédiments (Fine et al., 1997). Dans le cas des sédiments contenant des hydrocarbures, le taux d’évaporation de l’huile contenue dans le mélange dépend de la taille, de la composition et des propriétés thermiques des sédiments et des polluants. De même, l’évaporation de l’huile, en tant que pol-luant dans les sédiments dragués, augmente avec la diminution de la taille des parti-cules. Elle est faible avec l’augmentation de la quantité d’huile dans le mélange (Khamehchiyan et al. 2007). Ce phénomène est lié à la conductivité thermique, à l’adhérence et à la cohésion des particules des sédiments pollués. Le tableau V montre les pourcentages massiques de l’huile évaporée à la température 105°C et pendant 24 heures. Les proportions des mélanges considérées sont: 2 % et 4 % du polluant.

Tableau V : Pourcentages massique de l’huile évaporée à la température 105°C, pendant 24 h

% du polluant 2 4 % de l’huile évaporée 71 66

La variation du pourcentage de la masse d’huile évaporée dans les deux cas peut être liée à la conductivité thermique des mélanges. La conductivité thermique croît avec l’augmentation de la quantité d’huile comme polluant des sédiments. La conductivité thermique des particules des sédiments est plus élevée en comparaison à celle de l’eau, de l’huile et de l’air. D’autre part, la conductivité thermique de l’huile est plus élevée que celle de l’air. Par conséquent l’énergie thermique est transférée à l’air ambiant plus rapidement dans le cas des sédiments pollués avec des hydrocar-bures. Dans le cas de faible pollution (2 %), une grande partie de l’énergie thermique est absorbée par l’huile. Par conséquent l’évaporation d’huile est plus importante (71 %). Par contre, dans le cas d’une pollution plus importante (4 %), une grande partie de l’énergie thermique est transférée aux sédiments par conduction et par consé-quent l’évaporation de l’huile est plus faible (66 %). Pour déterminer de la teneur en eau des sédiments contaminés par l’huile, nous avons utilisé la relation (2). )n(W

W)mn(%wd

t +−+= 11 (2)

avec : teneur en eau des sédiments pollués [%], w : poids humide des sédiments contaminés [kg], tW : poids sec des sédiments contaminés après séchage à105°C [kg], dW m : taux d’évaporation de l’huile de pollution dans les sédiments, n : taux de pollution dans le sédiment. 3.2. Limites d’Atterberg des sédiments dragués Les limites d’Atterberg et la consistance d’un sédiment sont caractérisées par les limites de plasticité, de liquidité et l’indice de plasticité. La limite de liquidité repré-sente la teneur en eau minimale à partir de laquelle les particules des sédiments peuvent couler sous leurs poids. La limite de plasticité représente la teneur en eau

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minimale à partir de laquelle les sédiments peuvent mouler sans faire apparaître de fissures. Les limites d’Atterberg sont très largement utilisés dans le domaine de génie géotechnique pour l’identification, la description et la classification des sols et sédi-ments. Les résultats obtenus dans nos séries d’essai montrent que les limites d’Atterberg diminuent avec l’augmentation du pourcentages de contamination par l’huile. Le tableau VI résume les variations des ces limites pour les sédiments étu-diés.

Tableau VI: Limites d’Atterberg pour les sédiments étudiés

Limite de plastici-té (%)

Limite de liquidité (%)

L’indice de plasti-cité (%)

Sédiments 34,2 67,1 32,9 Sédiments + 2 % d’huile 33,3 65,4 32,1 Sédiments + 4 % d’huile 32,1 63,7 31,6 Cette réduction des limites d’Atterberg peut s’expliquer par l’interaction des par-ticules d’eau avec les sédiments pollués. Les molécules d’eau sont polaires et sont donc influencées par les charges négatives des argiles contenues dans les sédi-ments et les charges positives des cations en double couche. La force d’attraction entre l’eau et l’argile diminue avec l’augmentation de la distance entre elles. Cet état d’eau autour des particules d’argile donne la propriété plastique aux sédiments. L’huile utilisée dans notre étude est un liquide non-polaire. Les mélanges ont été préparés avec des sédiments sec. Lors de la préparation du mélange, l’huile est uni-formément distribuée dans les sédiments. Ainsi, les molécules d’huile rentrent en contact avec les particules sèches des sédiments et les entourent ce qui peut réduire les réactions et les effets de l’eau sur les particules des sédiments. Par conséquent, l’épaisseur de la double-couche est réduite ce qui entraîne une diminution des limites d’Atterberg. 3.3. Effet des liants et l’huile de moteur sur le compactage L'effet des stabilisateurs sur la densité sèche maximale et la teneur en eau opti-male des sédiments avec et sans hydrocarbures a été examiné. L’étude Proctor est nécessaire pour les sédiments utilisés dans le domaine routier. Le principe consiste à compacter le sédiment à différentes humidités selon un processus et une énergie conventionnelle. Pour chaque valeur de teneur en eau, on mesure la masse volumi-que sèche du sédiment et on établit la relation expérimentale entre cette masse et sa teneur en eau. A partir de cette dernière, il est possible de déterminer les caractéris-tiques Proctor (densité sèche maximale et teneur en eau optimale) du matériau étu-dié (AFNOR NF P 94-051). 3.3.1. Cas des sédiments sans hydrocarbures La teneur en eau optimale des sédiments sans liants hydraulique est d’environ 27 %. L’effet des liants sur la teneur en eau optimale et la densité sèche dépend de la nature des sédiments et des liants utilisés. Tout d’abord, les masses des différents liants à ajouter sont déterminées par rapport à la masse totale des constituants secs (y compris les liants). Le tableau VII présente les proportions des liants utilisés. La figure 2 montre que l’augmentation des liants dans les sédiments entraîne un accroissement de la teneur en eau optimale et une diminution de la densité sèche. En effet, les caractéristiques des sédiments compactés dépendent de la granulomé-

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trie, de la densité des grains des sédiments et des liants ajoutées. D’autre part, l’augmentation de la teneur en eau avec l’ajout des liants dans les sédiments dra-gués résulte de l’attractivité de l’eau par les liants. Ceci s’explique par une augmenta-tion de la surface spécifique des particules du mélange par rapport aux sédiments de référence due à l’ajout des matières fines. En effet, des liants augmentent la taille de particules floculées et le coefficient de frottement ce qui pénalise l’arrangement des grains lors du compactage et entraîne ainsi l’aplatissement des courbes des essais Proctor. D’autre part, le regroupement des particules de sédiments peut expliquer la diminution de la densité sèche des sédiments. Tableau VII: Pourcentages des mélanges de liants utilisés dans le cas des sédiments

sans présence d’hydrocarbures Série Ciment

(%) Cendre volante

(%) Chaux

(%) Fumée de silice

(%) 1 2 2 2 0 2 2 2 2 1 3 0 2 2 1 4 4 2 2 0 5 4 2 2 1

12

12,5

13

13,5

14

14,5

15

20 25 30 35 40

Teneur en eau (%)

Mas

se v

olum

ique

sèc

he (k

N/m

3 )

Sédiments

C: 2%, CH: 2 %, CV: 2% et FS: 0%

C: 2%, CH: 2 %, CV: 2% et FS: 1%

C: 0%, CH: 2 %, CV: 2% et FS: 1%

C: 4%, CH: 2 %, CV: 2% et FS: 0%

C: 4%, CH: 2 %, CV: 2% et FS: 1%

C: Ciment, CH: Chaux, CV: Cendres volantes et FS: Fumée de silice

Figure 2: Essai Poroctor Normal des sédiments avec et sans liants

3.3.1. Cas les sédiments avec des hydrocarbures Le tableau VIII présente les pourcentages des liants et de l’huile utilisée. Comme précédemment, l’addition des liants dans des sédiments pollués augmente la valeur de la teneur en eau optimale et au contraire, diminue la valeur de la densité sèche maximale des sédiments pollués. Compte tenu des figures 3 et 4, on constate que l’ajout de polluant dans les sédiments dragués modifie la teneur en eau optimale et la masse volumique maximale. En effet l’addition d’une huile de moteur augmente la densité sèche maximale et diminue la teneur en eau optimale des sédiments dra-gués. Ce phénomène peut s’expliquer d’abord par la diminution du frottement entre les particules des sédiments et ensuite par le rapprochement des particules des sé-diments entourées par un film de particules des hydrocarbures sous l’action du com-

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pactage. En effet les hydrocarbures dans les sédiments ont un rôle d’un excellent lubrifiant, par conséquent, une faible teneur en eau est nécessaire pour arriver à la densité sèche maximale. Tableau VIII: Pourcentages des mélange de liants utilisés dans le cas des sédiments

pollués Série Ciment

(%) Cendre vo-lante (%)

Chaux(%)

Fumée de si-lice (%)

Huile usage de moteur (%)

6 2 2 2 0 2 7 2 2 2 1 2 8 0 2 2 1 2 9 4 2 2 0 2

10 4 2 2 1 2 11 2 2 2 0 4 12 2 2 2 1 4 13 0 2 2 1 4 14 4 2 2 0 4 15 4 2 2 1 4

12

12,5

13

13,5

14

14,5

15

20 22 24 26 28 30

Teneur en eau (%)

Mas

se v

olum

ique

sec

(kN

/m3 ) Sédiments + 2 % de polluants

C 2%, CH 2% et CV 2%

C 2%, CH 2%, CV 2% et FS 1%

CH 2%, CV 2% et FS 1%

C 4%, CH 2% et CV 2%

C 4%, CH 2%, CV 2% et FS 1%

Figure 3: Essai Proctor normal des sédiments avec et sans liants, pollués à 2 %

C: Ciment, CH: Chaux, CV: Cendres volantes et FS: Fumée de silice

12

12,5

13

13,5

14

14,5

15

19 21 23 25 27

Teneur en eau (%)

Mas

se v

olum

ique

sec

(kN

/m3 ) Sédiments + 4 % de polluants

C 2%, CH 2% et CV 2%

C 2%, CH 2%, CV 2% et FS1%CH 2%, CV 2% et FS 1%

C 4%, CH 2% et CV 2%

C 4%, CH 2%, CV 2%, FS1%

C: Ciment, CH: Chaux, CV: Cendres volantes et FS: Fumée de silice

Figure 4: Essai Proctor normal des sédiments avec et sans liants, pollués à 4 %

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4. Conclusions: Cette étude préliminaire sur l’effet de la présence d’un polluant type hydrocarbure dans des sédiments de dragage a montré les points suivants : 1- Une augmentation du dosage en huile dans les sédiments diminue le pourcen-tage d’évaporation des molécules d’huile. Cette diminution peut s’expliquer par l’augmentation de la conductivité thermique les particules des sédiments et molécu-les d’huile. 2- Les résultats obtenue dans cette étude montrent que les limites d’Atterberg di-minuent avec l’augmentation du pourcentages de dosage en huile. 3- L’ajout des liants dans les sédiments entraîne un accroissement de la teneur en eau optimale et une diminution de la densité sèche maximale. 4- La présence de l’huile de moteur dans les sédiments augmente la densité sè-che maximale et diminue la teneur en eau optimale des sédiments dragués. L’effet de la présence d’un polluant type hydrocarbure dans les sédiments entraîne une modification notable de ses paramètres géotechniques ce qui affecte leur com-portement mécanique lors de leur utilisation éventuelle en technique de construction routière. Référence bibliographiques: Al-Ansary S. M., A., Al-Tabbaa, (2007) Stabilization /solidification of synthetic petroleum drill

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