Influence de la teneur en éléments métalliques sur les propriétés techniques et environnementales du ciment Portland

Effect of the trace elements content on the technical and environmental properties of Portland cement

• Auteur / Autrice : Nathalie Gineys
• Direction : Denis Damidot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 10/11/2011
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : École d'ingénieurs : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord ; 1878-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets -- Valorisation

Traitement thermique

Déchets métalliques

Teneur en éléments traces

Clinkers (ciments)

Réactivité

Ciment Portland

Mots clés libres

Valeurs limites

Résumé

L’utilisation du ciment Portland pour l’inertage des déchets via le processus de stabilisation/solidification est particulièrement efficace. Cependant, le traitement de certains déchets fortement contaminés en éléments métalliques reste problématique. En effet, certains éléments peuvent perturber la réactivité du ciment Portland. Ainsi, des déchets, issus du nucléaire et contenant de grandes quantités en chlorures de zinc, sont connus pour inhiber totalement la réactivité du ciment Portland. Une solution à ce problème serait d’utiliser une méthode alternative pour valoriser ces déchets sans que cela n’affecte les propriétés techniques et environnementales du ciment. Le potentiel de valorisation des déchets fortement contaminés en éléments métalliques dans les fours de cimenteries lors du processus de clinkérisation a été évalué. Trois axes principaux de travail ont été abordés. Tout d’abord, les quantités maximales (valeurs limites) en éléments métalliques qui peuvent être incorporées dans le clinker ont été déterminées. La seconde étape a consisté à évaluer si cette voie de valorisation pouvait être viable vis-à-vis du traitement par stabilisation/solidification. Enfin un système complexe simulant un cas de pollution multiple a été étudié afin d’évaluer si ce type de déchets peut être aussi valorisé dans les fours. Il en résulte que de grandes quantités en éléments métalliques peuvent être valorisées lors du processus de clinkérisation sans que cela n’affecte la réactivité ainsi que les propriétés techniques du ciment produit. De plus, la durabilité de la matrice cimentaire pourrait être améliorée car les éléments métalliques sont essentiellement piégés au sein du C-S-H.

The use of Portland cement to immobilise waste through the process of stabilization / solidification is particularly effective. However, the treatment of numerous wastes containing a high content in metallic elements is still problematic. Indeed, some elements may modify the reactivity of Portland cement. For example, waste from nuclear activities which contain large amounts of zinc chloride, are known to completely inhibit the reactivity of Portland cement. One solution to solve this problem would be to use an alternative method to valorise these wastes without affecting the technical and environmental properties of cement. The work investigates the potential of immobilisation in cement kilns during the process of clinker sintering wastes highly contaminated in metallic elements. Three main aspects were considered. The first one dealt with the maximum amounts (threshold limits) of trace elements that could be incorporated into the clinker. The second step consisted to compare the potential of waste immobilisation through the stabilization / solidification process and during the sintering process. Finally, a more complex system simulating wastes containing several main metallic elements was investigated. The objective was to assess whether this type of waste can be immobilise into clinker. It appeared that large amounts of metallic elements can be incorporated during the sintering process without affecting the reactivity and technical properties of the Portland cement. In addition, preliminary results suggest that the durability of the cement matrix could be improved because the metallic elements are largely incorporated into C-S-H.