Valorisation des sédiments en matériaux biosourcés : Application aux sédiments fluviaux avec incorporation de fibres naturelles

Valorization of sédiments in bio-based materials : Application to fluvial sediments with incorporation of natural fibers

• Auteur / Autrice : Mazhar Hussain
• Direction : Nathalie Leblanc, Daniel Levacher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie civil
• Date : Soutenance le 26/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : UniLaSalle (Beauvais - Rouen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformations et Agro-Ressources (Beauvais ; 2016-...)
• Jury : Président / Présidente : Irini Djeran-Maigre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Delma Vidal, Ken'ichi Sato, Lusmeilia Afriani, Hafida Zmamou, Andry Rico Razakamanantsoa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delma Vidal, Ken'ichi Sato

Mots clés

Mots clés contrôlés

Architecture durable

Agronomie

Éco-matériaux

Briques -- Fabrication

Construction -- Matériaux

Sédiments fluviaux

Mots clés libres

Gestion des sédiments

Fleuve Usumacinta (Mexique)

Sédiment fluvial

Brique cuite

Brique crue renforcée

Fibre naturelle

Matériau de construction

Agronomie

Développement durable

Sediments management

Usumacinta River (Mexico)

River sediment

Fired bricks

Reinforced earth bricks

Natural fibers

Construction materials

Agronomy

Sustainable development

Résumé

Les travaux de recherche portent sur la réutilisation de sédiments fluviaux dans les briques cuites, les briques crues renforcées de fibres naturelles et l'agronomie (agriculture et modelé paysager) dans un contexte d’économie circulaire et de développement durable. Les sédiments du fleuve Usumacinta (Jonuta et Tenosique, Tabasco, Mexique) ont servi de matière d’étude et les fibres de palmier à huile de renforcement (Emiliano Zapata, Tabasco, Mexique). Les sédiments ont été prélevés à Jonuta et Tenosique, puis caractérisés de façon à identifier leur aptitude pour les filières étudiées : briques cuites, crues et agronomie. La filière brique cuite, selon différentes approches et normes en vigueur, a été étudiée à partir de ces sédiments isolés (par point de prélèvement) ou en mélanges (approche industrielle) après avoir défini les procédures de moulage, séchage et cuisson. Des éprouvettes cubiques et prismatiques (20*20*20 mm3 et 15*15*60 mm3) ont été testées pour l’étude des performances mécaniques mais aussi l’influence du taux d’humidité de la brique moulée, de la température de cuisson (700 °C - 1100 °C) et l'effet d'échelle des éprouvettes. La filière brique crue a permis de covaloriser sédiments et fibres déchets en mélangeant le sédiment fluvial (Jonuta) à des fibres de palmier, des déchets agro-industriels locaux en abondance. La caractérisation de ces fibres a été nécessaire (morphologie, résistance à la traction, composition biochimique…) comme des études spécifiques à leur mise en œuvre (mise à longueur), compactage (briques prismatiques 4x4x16cm3, définition d’un protocole, répétitivité, distribution des fibres) et séchage des briques crues. Avec des protocoles clairement établis, des briques crues ont été fabriquées avec 0%, 1%, 2%, 3%, 4% et 5% d'ajout de fibres en vue de l’optimisation du taux de fibres à incorporer, puis testées en résistance (effet du renforcement, de l’ancrage des fibres, du taux de fibres…) et en durabilité (immersion, absorption d'eau et abrasion). Une brique crue à base de sédiments renforcée de fibres naturelles est possible : une véritable brique écologique ! Les caractéristiques agronomiques (présence d'éléments nutritifs, pH, conductivité électrique, rapport d'absorption du sodium) ont permis d’envisager la filière agronomique. Elle a consisté en une étude de germination et de croissance de raygrass en serre (conditions maitrisées en température et humidité) sur des sédiments de l’Usumacinta en mélange ou non (0%, 50% et 100% de terreau commercial). L’observation de la germination et de la croissance du raygrass a démontré que ces sédiments présentent bien un potentiel agronomique pour envisager des modelés paysagers à diverses vocations (anti-érosion, aménagements riverains, …). Les protocoles établis dans le cadre des sédiments fluviaux de l’Usumacinta ont été reproduits et appliqués à la fabrication de briques crues i.e. écologiques avec des sédiments français (port de Dunkerque et de la rivière Garonne) et de la chènevotte.

This research is focused on sediment reuse in fired bricks, earth bricks and agronomy in the context of the circular economy. Usumacinta River sediments are dredged from Tabasco state of Mexico. Characteristics of these sediments were investigated for their reuse. Sediment suitability for bricks was observed with industrial approaches and standards. Fired bricks were manufactured with sediments mixing, moulding, drying and firing. Cubic (20*20*20 mm3) and prismatic (15*15*60 mm3) brick specimens were made for compressive and tensile strength test of fired bricks. Bricks were fired at a temperature range of 700 °C to 1100°C to optimize the use of energy. Strength of bricks was also optimized with different moulding moisture contents. Scale effect on strength of bricks was observed by varying the dimensions of fired bricks.Similarly, earth bricks were manufactured by using Usumacinta River sediments (J3) and palm fibers which are local agro-industry waste. Characteristics of palm oil fibers such as morphology, tensile strength, biochemical composition etc. were investigated for their reuse in earth bricks. Palm oil flower fibers were used to make earth bricks due to their suitable morphology and strength. These fibers were extracted with a knife mill by using grids of 2cm (G-2cm) and 3cm (G-3cm). Earth bricks were manufactured with 0%, 1%, 2%, 3%, 4% and 5% fiber addition by mass and compacted dynamically. Earth bricks were dried in oven at 40°C. Tensile and compressive strength tests were performed on bricks to observe the influence of fiber addition. Brick's durability was also assessed with inundation, water absorption and abrasion test.For Usumacinta River sediments use in agronomy, their agronomic characteristics such as presence of nutrients, pH, electrical conductivity and sodium absorption ratio were investigated. Experimental study was conducted in greenhouse to observe the growth of ryegrass with Usumacinta sediments and potting soil. Three soil compositions with 0% sediments, 50% sediments+50% potting soil and 100% sediments were used. Growth and germination of ryegrass were observed in different soil compositions to assess the agronomic potential of sediments.Furthermore, the findings of Usumacinta sediments were replicated for local French sediments from Dunkirk port and Garonne River to make earth bricks with hemp shiv as reinforcement.