Faisabilité technique et environnementale de l'utilisation dans des matériaux de construction cimentaires de cendres d'incinération de boues de station d'épuration

Technical and environmental feasibility of the utilization of incineration sewage sludge ashes in cementitious materials

• Auteur / Autrice : Maozhe Chen
• Direction : Jacques Méhu, Rémy Gourdon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science de l'Environnement Industriel et Urbain
• Date : Soutenance le 05/06/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCIE - Laboratoire de Génie Civil et d' Ingénierie Environnementale, EA 4126 (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Khalil Hanna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Méhu, Rémy Gourdon, Khalil Hanna, Jianguo Liu, Jacques Bourgois, Denise Blanc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jianguo Liu, Jacques Bourgois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets organiques -- Recyclage

Boues d'épuration -- Digestion

Mots clés libres

Environnement

Déchet

Station d'épuration

Cendres de boue

Matière première secondaire

Lixiviation

Recyclage des déchets

Sewage sludge ashes

Secondary raw material

Mechanical strengh

Modeling of contact

Résumé

Des quantités importantes de cendres (4,12 million kg en France en 2008) sont issues de l’incinération des boues de station d’épuration. La valorisation de ces cendres comme matière première secondaire pour l’élaboration de matériau dans le domaine du bâtiment et des travaux publics (BTP) a été étudiée dans cette thèse. La caractérisation physique et chimique des cendres et l’étude de leur réactivité ont révélé un comportement intermédiaire entre le ciment et le sable, proche du comportement de matériaux pouzzolaniques. Les tests de lixiviation réalisés sur les cendres ont montré qu’à l’exception du Se et du Mo, les éléments présents dans les cendres sont solubilisés à des concentrations inférieures aux seuils définis règlementairement pour les déchets inertes ou non-dangereux. Les liens entre la solubilisation des éléments et la minéralogie des matériaux ont été étudiés à travers la modélisation géochimique réalisée sous PhreeqC. L’influence du taux de substitution du ciment par les cendres sur les propriétés mécaniques des matériaux a également été étudiée. L’indice d’activité à 28 jours de la cendre est conforme à la spécification de la norme EN 450-1. La résistance du mortier diminue quand le taux de substitution augmente à cause de la faible teneur en CaO dans les cendres et de l’apport supplémentaire d’eau nécessaire. Pour le béton avec un taux de substitution de 10 %, la résistance est comparable à celle du béton témoin. L’essai de durabilité des matériaux cimentaires incorporant les cendres révèle une forte diminution de résistance mécanique sous l’effet de la sollicitation au gel/dégel. Une évaluation environnementale de ces matériaux a été réalisée par l’essai de lixiviation à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Les quantités relarguées cumulées des éléments polluants et des anions sont inférieures aux seuils sans impact environnemental, acceptables en construction aux Pays-Bas et en France.

High quantity (4.12 million kg in France in 2008) of ashes produces from the incineration of sewage sludge. The reutilization of these ashes as secondary raw materials in the building and public works was studied. A physical, chemical, mineral, and behavioral characterization showed that the sewage sludge ash have an intermediate behavior between the cement and sand, near the pozzolan. Most elements had lower release rates than limited value of inert waste or non-hazardous waste, with the exception of the leachable fraction of Se and Mo. A relationship between solubilization of elements and mineralogy of materials were studied by modeling for phase identification of the ashes. A technique part was studied to evaluate the influence of the residue (sewage sludge ash) on the mechanical properties of materials. The activity index of the ash met the specification of EN450-1 in 28 days. The strength of the mortar decreased when the substitution increased due to the high amount of water added and the low CaO content in the ash. For concrete with a substitution of 10%, the compression strength was comparable to the blank sample, and was satisfactory to the threshold of construction projects. However, the durability test showed a strong decrease of mechanical strength for the concrete containing the ashes after a freeze/thaw. An assessment of environmental impacts associates with the observation of the leaching behavior of these materials. The leaching test at laboratory scale and pilot scale were investigated. The cumulative leaching quantities of each pollutant and anions were below the threshold, without significant environmental impact, acceptable for the construction in Netherlands en in France.