Valorisation des sédiments de Nouvelle-Aquitaine non-traités dans un composite géopolymérisé : étude mécanique, microscopique et environnementale

Valorization of untreated New Aquitaine sediments in a geopolymerized composite : mechanical, microscopic and environmental study

• Auteur / Autrice : Lisa Monteiro
• Direction : Nadia Saiyouri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 15/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Abdelkarim Ait-Mokhtar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Gotteland, Humberto Yáñez-Godoy, Naïma Belayachi, Adélaïde Feraille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachid Zentar, Siham Kamali

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique

Analyse du cycle de vie

Sédiments (géologie)

Géopolymères

Déblais de dragage

Mots clés libres

Valorisation

Sédiments de dragage

Géopolymérisation

Analyse de cycle de vie

Mécanique

Valorization

Dredged sediments

Geopolymerization

Life cycle analysis

Mechanic

Résumé

L’évolution du contexte environnemental mondial invite de plus en plus les entreprises à réduire leur impact en réutilisant des matériaux de proximité et en favorisant l’économie circulaire. Les sédiments de dragage représentent une source potentielle de matériaux grâce à leur volume important. En effet, les opérations de dragage réalisées en Nouvelle-Aquitaine seule génèrent un volume annuel de sédiments d’environ 10 millions de m3. De plus, à la veille de l’évolution des lois concernant les pratiques de dragage, la valorisation des sédiments est nécessaire pour créer une économie viable pour leur gestion. Inscrit dans le projet ValoSed, les travaux de thèse sont orientés vers le développement d’un liant géopolymère écologique à partir de la fraction fine des sédiments de dragage non traités. L’objectif principal est d’étudier la viabilité, selon plusieurs critères, d’une mise en oeuvre réelle des liants développés en Nouvelle-Aquitaine. Plusieurs verrous ont été levés à travers l’étude comme l’utilisation des sédiments sans traitement thermique ou chimique, l’absence d’approche de formulation, l’étude de la variabilité des sédiments, la méconnaissance des réactions produites et l’étude du cycle de vie des géopolymères avec des sédiments.La première partie de cette étude, dédiée à la formulation des liants, a permis de mettre en évidence le comportement non-inerte des sédiments de Nouvelle-Aquitaine lors de la géopolymérisation. Les méthodes de formulation développées ont permis d’atteindre des résistances mécaniques comparables aux études traitant thermiquement les sédiments de dragage. Par la suite, plusieurs liants ont été développés valorisant simultanément les sédiments non-traités et des coproduits industriels. Les analyses multi-échelles de chaque liant (temps de prise, calorimétrie, résistance à la compression et à la flexion, MIP, MEB, EDS, ATG, DRX, NMR) ont permis de lier les résistances mécaniques au développement de liaisons structurelles grâce à la formation d’aluminosilicate de sodium hydraté mène ainsi à des résistances plus importantes à 90 jours (5 MPa) qu’un mélange avec du ciment (1 MPa). Les analyses macroscopiques et microscopiques soulignent le développement de produits géopolymères différents selon les teneurs en calcium des précurseurs. Les questions de durabilité selon les matrices développées ont été étudiées et ont permis d’aboutir à la définition de formulation optimale pour le développement d’applications dans les travaux publics.La deuxième partie de ces travaux de thèse a permis de valider le caractère écologique des liants selon plusieurs catégories d’impacts grâce à une Analyse de Cycle de Vie (ACV). Le coût économique des liants a aussi été calculé. Dernièrement, les résultats des études préliminaires menées avec les entreprises partenaires du projet sont présentés. Les liants développés en première partie ont été utilisé pour la fabrication de béton compacté routier (BCR) et de coulis de comblement.

Changes in the global environmental context are increasingly encouraging companies to reduce their impact by reusing local materials and promoting the circular economy. Dredged sediments represent a potential source of materials thanks to their large volume. Dredging operations in the Nouvelle-Aquitaine region alone generate an annual volume of sediment of around 10 million m3. What is more, with the laws on dredging practices set to change, sediment needs to be recycled to create a viable economy for its management. As part of the ValoSed project, the thesis work is focused on developing an environmentally friendly geopolymer binder from the fine fraction of untreated dredged sediments. The main objective is to study the viability, according to several criteria, of using the binders developed in the Nouvelle-Aquitaine region. The study addressed a few issues, including the use of sediments without thermal or chemical treatment, the absence of a formulation approach, the study of sediment variability, the lack of knowledge about the reactions produced and the study of the life cycle of geopolymers with sediments.The first part of this study, dedicated to the formulation of binders, highlighted the non-inertial behaviour of New Aquitaine sediments during geopolymerization. The formulation methods developed made it possible to achieve mechanical strengths comparable to those achieved in studies involving the thermal treatment of dredged sediments. Subsequently, several binders were developed that simultaneously extract value from untreated sediments and industrial co-products. Multi-scale analyses of each binder (setting time, calorimetry, compressive strength and flexural strength, MIP, SEM, EDS, ATG, DRX, NMR) made it possible to link the mechanical strengths to the development of structural bonds thanks to the formation of hydrated sodium aluminosilicate, leading to higher strengths at 90 days (5 MPa) than a mixture with cement (1 MPa). Macroscopic and microscopic analyses highlight the development of different geopolymer products depending on the calcium content of the precursors. Durability issues depending on the matrices developed were studied and led to the definition of optimal formulations for the development of applications in public works.The second part of the thesis validated the ecological character of the binders according to several impact categories using a Life Cycle Assessment (LCA). The economic cost of the binders was also calculated. Lastly, the results of the preliminary studies carried out with the project's partner companies are presented. The binders developed in the first part have been used to manufacture compacted road concrete (CRCP) and backfill grout.