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Pressurisation thermique dans l’argile de Boom
Thermal pressurization in Boom clay
Monfared M.
1
, Delage P., Sulem J., Mohajerani M.
2
, Tang A.M.
Ecole des ponts ParisTech, Navier/CERMES, Marne la Vallée, France
1
now in BG Ingénieurs-conseils, Lausanne, Suisse
2
now in CurisTech, Lyon, France
RÉSUMÉ : La pressurisation thermique dans l’argile raide de Boom au sein de laquelle est installé le laboratoire souterrain de
recherche du SCK-CEN en Belgique (- 223 m) a été étudiée dans une cellule triaxiale thermo-hydro-mécanique (THM) à cylindre
creux spécialement conçue pour les argiles et argilites à faible perméabilité et caractérisée par un court chemin de drainage (10 mm).
Un essai de pressurisation thermique a été réalisé sous contraintes initiales proches des contraintes in-situ en augmentant en
conditions non drainées la température (de 25 à 65°C à 1°C/h) et en mesurant l’augmentation de pression correspondante. Le
coefficient de pressurisation thermique obtenu décroît avec la température entre 0.04 et 0.02 MPa/°C. La phase de refroidissement
drainée permet de déterminer une valeur du coefficient de dilatation thermique drainé compatible avec celle de Sultan et al. (2000).
ABSTRACT: The phenomenon of thermal pressurization has been investigated in the Boom clay, the potential host rock presently
considered in Belgium for radioactive waste disposal at great depth. Samples from the Mol underground research laboratory (- 223 m)
have been used. Tests were conducted in a new hollow cylinder triaxial apparatus specifically developed. This device allows a short
drainage length (10 mm) favourable in testing low permeability clays and claystones. A thermal pressurization test was carried out by
increasing temperature very slowly (from 25 to 65°C at 1°C/h) in undrained conditions while measuring the changes in pore pressure
in a sample submitted to in-situ stress conditions. The thermal coefficient measured decreased from 0.04 to 0.02 MPa/°C, in
accordance with literature data. The drained cooling phase carried out afterwards provided a value of the drained thermoelastic
coefficient in good agreement with that obtained by Sultan et al. (2000).
MOTS-CLES : argile raide, pressurisation thermique, chauffage, stockage de déchets radioactifs.
KEYWORDS : stiff clay, thermal pressurisation, heating, radioactive waste disposal
1 INTRODUCTION
La pressurisation thermique de l’eau interstitielle intervient en
conditions non drainées ou faiblement drainées (sols peu
perméables) dans les sols fins soumis à une élévation de
température, du fait que le coefficient de dilatation thermique de
l’eau est significativement plus fort que celui des minéraux. Le
coefficient dilatation thermique
s
du quartz et des minéraux
argileux est de l’ordre de 3,4 × 10
-5
(°C)
-1
(Palciauskas and
Domenico 1982, McTigue 1986), celui de la calcite 1,38 × 10
-5
(°C)
-1
(Fei 1995) alors que le coefficient
w
de l’eau vaut
27 × 10
-5
(°C)
-1
(Spang 2002).
La pressurisation thermique revêt une importance
particulière dans le cas du stockage profond des déchets
radioactifs exothermiques à haute activité, où sa connaissance
est importante pour le dimensionnement des ouvrages de
stockage. En réduisant la contrainte effective, une pressurisation
excessive peut engendrer des instabilités dans le champ proche
au niveau des galeries. D’autres applications concernent
l’impact des techniques de récupération non conventionnelles
de pétrole (avec injection de vapeur par exemple) sur les roches
imperméables de couverture.
La pressurisation thermique dans l’argile raide de Boom au
sein de laquelle est installé le laboratoire souterrain de
recherche du SCK-CEN en Belgique (- 223 m) a été étudiée
dans une cellule triaxiale thermo-hydro-mécanique (THM) à
cylindre creux (diamètres extérieur et intérieur respectivement
de 100 et 60 mm, hauteur 70 mm) spécialement conçue pour les
argiles et argilites à faible perméabilité (Monfared et al. 2011).
Cette cellule est caractérisée par un court chemin de drainage (la
demie épaisseur du cylindre) permettant des conditions de
drainage satisfaisantes même dans des conditions de très faible
perméabilité (10
-12
m/s pour l’argile de Boom).
Un essai de pressurisation thermique a été réalisé sous
contraintes initiales proches des contraintes in-situ (contrainte
moyenne de 3.25 MPa et pression interstitielle de 1 MPa) en
augmentant en conditions non drainées la température entre 25
et 65°C à un taux de 1°C/h et en mesurant l’augmentation de
pression correspondante.
2 DISPOSITIF D’ESSAIS ET MATÉRIAU
2.1
Cellule triaxiale à cylindre creux
Le schéma de la cellule est présenté en Figure 1 (Monfared et
al. 2011).
Figure 1. Cellule triaxiale à cylindre creux : a) schéma ; b) connexions
aux contrôleurs pressions-volume et capteurs de pression.
Cette cellule permet l’application de conditions
« triaxiales » classiques avec l’application d’une pression de
confinement analogue à l’extérieur et à l’intérieur du cylindre
creux.
