Mécanismes physico-chimiques mis en jeu lors de la décontamination de matériaux cimentaires en profondeur par une compresse

Physico-chemical mechanisms involved during the deep decontamination process of cementitious materials by a poultice

• Auteur / Autrice : Hicham Dialla
• Direction : Philippe Coussot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Garrault-Gauffinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Coussot, Catherine A. Davy, Stéphane Poyet, Thibaud Chevalier, Alban Gossard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine A. Davy, Stéphane Poyet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets radioactifs -- Élimination

Installations nucléaires -- Déclassement

Ciment

Décontamination radioactive

Mots clés libres

Imbibition

Pâte

Transfert

Ciment

Décontamination

Séchage

Drying

Imbibition

Poultice

Transfer

Decontamination

Cement

Résumé

Au cours des prochaines années, le nombre de chantiers d’assainissement et de démantèlement d’installations nucléaires devrait fortement croître. Diverses interventions de décontamination devront ainsi être effectuées afin de faciliter l’intervention des opérateurs et la gestion de déchets engendrés. Les matériaux cimentaires, principalement issus des matériaux d'infrastructure, représentent alors un volume important de matériaux contaminés et leur décontamination se révèle être un objectif important à atteindre. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions la faisabilité d’un procédé de décontamination utilisant des compresses se présentant sous la forme de pâtes d’argile saturée en eau. Le procédé est divisé en deux phases principales : une phase d’imbibition du matériau cimentaire par l’eau contenue initialement dans la compresse permettant la solubilisation des contaminants contenus dans la porosité du matériau, puis une phase de séchage engendrant l’extraction du liquide imbibé (et contenant les contaminants) du matériau cimentaire vers la compresse. Une telle utilisation nécessite une bonne compréhension des mécanismes physico-chimiques qui contrôlent ces différentes phases. Plus précisément nous avons cherché à décrire les transferts de liquide entre la compresse et le mortier, de façon à préciser les possibilités d’extraction des contaminants en profondeur. Dans ce but nous nous sommes notamment appuyés sur des mesures par IRM qui permettent d’observer la distribution de l’eau au sein de chaque matériau au cours du temps. Nous avons ainsi montré que, durant la phase d’imbibition, l’eau pénètre en profondeur dans le mortier (plusieurs centimètres). Le processus physique de transport du liquide dans le mortier reste néanmoins complexe car il ne peut être décrit par un modèle d’imbibition capillaire standard, et l’état de surface du mortier le long de l’interface avec la compresse influence significativement la dynamique.Nous avons également montré que, durant la phase de séchage, l’eau est extraite en profondeur du matériau : la distribution spatiale du liquide reste sensiblement homogène alors que la saturation totale diminue. Nous avons enfin démontré que la compresse permet l’extraction de l’eau du mortier de façon analogue à ce que l’on obtient en son absence. Autrement dit, après une première phase de contraction de la compresse associée à son séchage partiel, l’eau est extraite du mortier et sa dynamique d’extraction n’est pas affectée par la présence de la compresse. Enfin, le procédé de décontamination du substrat initialement contaminé en strontium inactif a été évalué. Nous avons illustré une possible décontamination sur une profondeur estimée entre 2 et 4 mm pour un échantillon contaminé sur environ 13 mm, démontrant de cette manière la faisabilité du procédé

Over the next few years, the number of clean-up and dismantling projects for nuclear facilities is expected to increase significantly. Surface decontamination operation will be thus necessary to make the operator work easier and facilitate the secondary waste handling. Cementitious materials represent a significant volume of waste to be treated because they constitute a large part of the infrastructure materials. That is why their decontamination appears to be an important objective to reach. In this thesis, we have studied the feasibility of a decontamination process using poultices, which are clay-based paste sur-saturated in water. This process is divided in two main phases: an imbibition phase of the cementitious material by the water from the poultice, solubilizing the contaminants present in the material porosity, then a drying phase allowing the extraction of the soaked liquid (and containing the contaminants) from the cementitious material towards the poultice. Such an application requires a good understanding of the physico-chemicalmechanisms that control the different phases of the process. More precisely, we have tried to describe the liquid transfers between the poultice and the mortar, in order to verify the possibilities of contaminant extraction in depth.For this purpose, we have used MRI measurements that allow us to observe the water distribution within each material over time. We have thus shown that, during the imbibition phase, water penetrates deep into the mortar (several centimeters). The physical process of liquid transport in the mortar remains nevertheless complex because it cannot be described by a standard capillary imbibition model, and the surface condition of the mortar along the interface with the poultice significantly influences the dynamics. We have also shown that, during the drying phase, water is extracted from the depth of the material: the spatial distribution of the liquid remains substantially homogeneous while the total saturation decreases. Finally, we have shown that the poultice allows the extraction of water from the mortar in a similar way to what is obtained in its absence. In other words, after a first phase of contraction of the compressassociated with its partial drying, the water is extracted from the mortar and its extraction dynamics is not affected by the presence of the poultice. Finally, the decontamination of the substrate initially contaminated with inactive strontium was evaluated. We have shown a possible decontamination over 2-4 mm for a mortar sample contaminated on about 13 mm, demonstrating in this way the feasibility of the process