Étude des propriétés hydrogéotechniques des mélanges sol-boues utilisables comme matériaux fins d'une couverture avec effets de barrière capillaire

Le traitement actif du drainage minier acide (DMA) à l'aide de la chaux génère des quantités de boues considérables qui sont généralement stockées dans des bassins de décantation. Dans l'optique de réduire les couts liés au stockage, ainsi que leur impact environnemental, la valorisation pourrait devenir une avenue importante pour la gestion de ces boues. En climat humide, la restauration des sites miniers problématiques peut recourir à divers types de recouvrement, incluant les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC), généralement constituées en sols naturels. Toutefois, ces types de recouvrement nécessitent l'utilisation d'un matériau fin pour la construction de la couche de rétention d'eau. Lorsque les matériaux fins requis ne sont pas disponibles dans les environs des sites à restaurer, des mélanges sols-boues (MSBs) pourraient être utilisés. L'utilisation des MSBs comme composante d'une CEBC visant à contrôler la production du drainage minier acide permettrait, d'une part, de réduire l'impact environnemental des boues et limiter leur coût de gestion, et d'autre part, de favoriser l'acceptabilité sociale des projets miniers en réduisant l'utilisation de sols naturels et les distances de transport des matériaux d'emprunt. Ainsi, l'objectif principal de ce projet est d'évaluer le potentiel de valorisation des boues de traitement du DMA pour produire des mélanges de sols granulaires et de boues (MSB) ayant les caractéristiques hydrogéotechniques requises d'une couche de rétention d'humidité d'une CEBC, tout en optimisant la quantité de boues. Spécifiquement, les objectifs du projet consistaient à : 1) caractériser, au laboratoire, les propriétés géotechniques et hydrogéotechniques (retrait libre, Proctor, conductivité hydraulique saturée et courbe de rétention d'eau) de différents MSBs obtenus à partir de deux types de sols granulaires (till et sable) et de deux types de boues des sites de Westwood et de Waite-Amulet en faisant varier la teneur en boues β (= masse de boue humide / masse de sol humide) dans le mélange ; 2) étudier l'impact de l'ajout de la chaux, dont l'objectif est de réduire la teneur en eau très élevée des MSBs, sur certaines propriétés hydrogéotechniques, notamment la conductivité hydraulique saturée et les propriétés de compactage des MSBs ; 3) discuter, selon les propriétés hydrogéotechniques, l'utilisation potentielle des MSBs, obtenus à l'aide des deux types de sols et des deux types de boues, comme couche de matériaux fins d'une CEBC. Pour y parvenir, après les caractérisations physique, chimique et minéralogique des sols et des boues, le till ainsi que le sable ont été mélangés avec les deux types de boues à des teneurs en boues β de 30, 40 et de 50%. Les mélanges ont été préparés en considérant une teneur en eau de 3,5%, pour le sable, et de 7,5%, pour le till ; tandis que les teneurs en eau des boues étaient, principalement, de 175% et de 200% respectivement pour les boues de Westwood et pour celles de Waite-Amulet. Pour l'étude de l'impact de la chaux sur les propriétés des MSBs, des teneurs en chaux vive (masse de chaux / masse de mélange humide) de 0 à 10% ont été utilisées sur les MSBs contenant une teneur en boues de 30%. Les résultats de cette étude indiquent des valeurs de conductivités hydrauliques saturées ksat de l'ordre de 10-6 cm/s pour le till et les mélanges de till et de boues. Les valeurs de ksat augmentent légèrement lorsque β passe de 30 à 50%. La pression d'entrée d'air (AEV) passe de 60 kPa pour le till seul à environ 58 kPa et 40 kPa, respectivement, pour les mélanges till-boues Westwood et till- boues Waite Amulet avec β = 30%. Sur la base d'une comparaison à celles des matériaux habituellement utilisés dans des couches de rétention d'eau de CEBC existantes et efficaces, ces valeurs de ksat et d'AEV confirment le potentiel des mélanges de till et de boues à être utilisés comme couche de rétention d'eau d'une CEBC. Malgré les AEV entre 30 kPa et 39 kPa, les mélanges de sable et de boues présentent toujours des valeurs de conductivités hydrauliques saturées ksat de l'ordre de 10-4 cm/s quand β est de 30%. Ces valeurs de ksat diminuent légèrement quand β augmente de 30 à 50%. Cependant, l'augmentation de la quantité de boues dans les MSBs produit des mélanges peu compactables (teneur en eau largement supérieure à la teneur en eau optimale et densité sèche inférieur à l'optimum Proctor). Les résultats de l'amendement à la chaux des MSBs indiquent que la teneur en eau des mélanges diminue lorsque la teneur en chaux augmente pendant un temps de cure donné. Cette réduction de la teneur en eau s'accompagne d'une augmentation de la densité sèche après compactage. Néanmoins, la densité sèche des mélanges traités à la chaux reste inférieure à la densité sèche optimale des mélanges non traités comme déterminée avec les essais Proctor. Les conductivités hydrauliques saturées des mélanges de sable et de boues contenant 2 à 6% de chaux diminuent de 3 ordres de grandeurs (autour de 10-7 cm/s) par rapport aux mélanges non traités ( autour de 10-4 cm/s) tandis que celles des mélanges de till et de boues avec et sans chaux restent dans le même ordre de grandeur (autour de 10-6 cm/s). Au vu de ces résultats de recherche, cette étude confirme que les mélanges de sols et de boues ont un bon potentiel comme couche de rétention d'eau dans un recouvrement de type CEBC. Sachant que cette étude n'est qu'une étape d'un processus de validation de l'utilisation des mélanges sols-boues comme composante d'une CEBC, et d'optimisation de la quantité de boues dans les MSBs, nous recommandons que les travaux de recherche se poursuivent pour étudier davantage le comportement des MSBs dans des scénarios de restauration à l'échelle de laboratoire et de terrain. Mots clés : Boues de traitement du drainage minier acide, mélanges sols-boues, amendement à la chaux, propriétés hydrogéotechniques, couverture avec effets de barrière capillaire (CEBC)

Abstract

Active treatment of acid mine drainage (AMD) with lime generates considerable quantities of sludge that are usually stored in settling ponds. In order to reduce the costs associated with storage and reduce their environmental impact, valorization has become an important way of sludge managing. In humid climates, reclaiming problematic mining sites may use various types of covers, including covers with capillary barrier effects (CCBE), generally constituted by natural soils. These cover types require the use of a fine material for the construction of the water retaining layer. Where the required fine materials are not available in the vicinity of the sites to be restored, soil-sludge mixtures (SSMs) could be used. The use of MSBs as a component of a CCBE aiming to control the production of acid mine drainage would, on the one hand, reduce the environmental impact of sludge and limit their management costs, and on the other hand, promote the social acceptability of mining projects by reducing the use of natural soils and the transportation distances of borrowing materials. Thus, the general objective of this project was to study, using laboratory tests, hydrogeotechnical properties of SSMs in order to use them as potential material for the water retention layer of CCBE. Specifically, the objectives of the project were to : i) to characterize, in the laboratory, the geotechnical and hydrogeotechnical properties (free shrinkage, Proctor, saturated hydraulic conductivity and water retention curve) of different SSMs obtained from two types of granular soils (till and sand) and of two types sludge from the Westwood and Waite-Amulet sites by varying the sludge content β (= mass of wet sludge / wet soil mass) in the mixture ; ii) investigate the impact of adding lime, which aims to reduce the very high moisture content of SSMs, on some hydrogeotechnical properties, including saturated hydraulic conductivity and compaction properties of SSMs ; iii) 3) to discuss, according to the hydrogeotechnical properties, the potential use of SSMs obtained using both types of soils and both types of sludge as fine material layer of CCBE. To reach these objectives, after the physical, chemical and mineralogical characterization of soils and sludge, the till and the sand were mixed with both types of sludge at sludge contents β of 30, 40 and 50%. The mixtures were prepared considering a water content of 3.5% for the sand and 7.5% for the till; while sludge moisture contents were mainly 175% and 200% for Westwood sludge and Waite-Amulet sludge, respectively. For the study of the impact of lime on the propertiesof SSMs, lime was added to SSMs containing 30% sludge content at lime contents (mass of lime / mass of wet mixture) of 0 to 10%. The results of this study indicate saturated hydraulic conductivity values ksat of the order of 10-6 cm / s for the till and the till-sludge mixtures. The values of ksat increase slightly when β goes from 30 to 50%. The air-entry value (AVE) decreased from 60 kPa for the till alone to about 58 kPa and 40 kPa for the till-Westwood sludge and till-Waite Amulet sludge mixtures with β = 30%. Based on a comparison to materials commonly used in existing and effective CCBEs water retention layers, these ksat and AEV values confirm the potential of till-sludge mixtures to be used as a materials for the water retention layer of CCBE. Despite AEV values ranging between30 kPa and 39 kPa, sand-sludge mixtures showed saturated hydraulic conductivity values ksat in he order of 10- 4 cm/s when β is 30%. These ksat values decrease slightly when β increases by 30 to 50%. However, increasing the amount of sludge in the SSMs product mixtures little compactable (water content much higher than the optimum moisture content and dry density less than the optimum Proctor). The results of the lime amendment of the SSMs indicate that the water content of the mixtures decreases as the lime content increases during a given cure time. This reduction in water content is accompanied by an increase in the dry density after compaction. Nevertheless, the dry density of the lime-treated mixtures remains lower than the optimal dry density of the untreated mixtures as determined with the Proctor tests. The saturated hydraulic conductivities of sand and sludge mixtures containing 2 to 6% lime decrease by 3 orders of magnitude (to about 10-7 cm/s) compared to untreated mixtures (ksat  10-4 cm/s) while those of till and sludge mixtures with and without lime remain in the same order of magnitude (10-7 cm/s). Based on these research results, this study confirms that SSMs could have good potential as a layer of water retention in CCBEs. Knowing that this study is only one step in a process of validating the use of soil-sludge mixtures as a component of CCBE, and in optimizing the amount of sludge in SSMs, further research remains necessary to investigate the behavior of SSMs at laboratory and field scales for mine site rehabilitation scenarios using CCBEs. Keywords: acid mine drainage treatment sludge, soil-sludge mixtures (SSMs), lime amendment, hydrogeotechnical properties, cover with capillary barrier effects (CCBE)