Technical Report NTB 90-12

L'influence du ciment Portland, utilisé comme matériau de solidification, de colmatage ou de construction, sur le comportement chimique à long terme d'un dépôt final pour déchets de faible et de moyenne activité a été étudié. Afin de décrire le comportement chimique à long terme d'éléments à base de ciment, une série de sous-modèles ont été développé, relatifs à l'hydratation du ciment, aux propriétés thermodynamiques d'hydrates de silicates de calcium et à la dégradation de ciments hydratés par des eaux souterraines naturelles. La lixiviation d'uranium à partir d'une matrice de ciment a été modélisée à titre d'application.

L'hydratation du ciment est modélisée en utilisant la méthode de Bogue. Les diverses variétés de minéraux de ciments hydratés possible sont classées en plusieurs groupes de solides modèles. On part de l'hypothèse que les additifs au ciment (par ex. silica fume, trass) réagissent totalement avec celui-ci.

Le comportement de la dissolution incongruente des hydrates de silicates de calcium (gels CSH) est décrit en utilisant une approche directement applicable aux codes des spéciations géochimiques communes. Se fondant sur l'hypothèse que les gels CSH peuvent être décrits par des composantes indépendantes de modèles, leurs propriétés de solubilité sont tirées d'une grande quantité de données trouvées dans la littérature. Les constantes de solubilité sont données en fonction de la composition de gels CSH.

Les résultats de modèles d'hydratation et de dissolution sont utilisés pour décrire la dégradation du ciment par des eaux souterraines naturelles en partant d'un modèle à récipient mélangeur. Le modèle à récipient mélangeur présuppose un équilibre thermodynamique entre le ciment hydraté et l'eau souterraine et recalcule la spéciation des solutés dans les solutions à l'intérieur des pores ainsi que l'inventaire chimique restant, par étapes successives (cycles). Il faut compter ca. 5000 à 10'000 cycles pour dégrader totalement un ciment hydraté. La «durée de vie» en question dépend essentiellement de la composition de l'eau souterraine. La composition du ciment n'a qu'une influence secondaire sur la durée de vie mais elle détermine le niveau du pH absolu et la période relative durant laquelle les conditions de pH élevé (pH ~ 12) sont maintenues dans la solution à l'intérieur des pores. La concentration de carbonates dans l'eau souterraine s'avère être un paramètre très important en raison de la transformation des minéraux de ciments hydratés en calcite.

La dissolution de l'uranium dans un ciment en cours de dégradation est modélisée, à titre représentatif pour les actinides, en supposant un Eh de -300 mV. La concentration d'uranium dans la solution des pores est déterminée par le «choix» de la phase limitant la solubilité. Si la spéciation est calculée en utilisant les solubilités thermodynamique des pure solides, des niveaux de concentration de l'ordre de 10^-4 M sont trouvés pour U₃O₈, USiO₄, UO₂, U₄O₉ et de 10^-14 M pour CaUO₄. On trouve q'une lixiviation cumulative d'uranium à partir de ciments hydratés est presque indépendante de la composition du ciment et de celle de l'eau, mais qu'elle dépend fortement des propriétés de la phase limitant la solubilité. Une quantité de 0.1 mmole U/kg de ciment hydraté est complètement lixiviée après 5 à 10 cycles si l'on utilise U₃O₈ comme solide limitant la solubilité, après ~ 100 cycles avec UO₂ et après ~ 5000 (jusqu'à 10'000) cycles avec CaUO₄.

Ce rapport se termine par des recommandations pour le développement ultérieur de sous­modèles et conclut par une liste de priorités appropriées.