Dissertations / Theses on the topic 'Matériaux dangereux'

L'étude porte sur la faisabilité d'un coulis de ciment saumuré et microsilicé adapté aux formations salifères en vue de son utilisation dans les cimentations des tubages pétroliers placés dans des formations de sel gemme, afin d'isoler les couches aquifères des formations salifères. Ce matériau peut être aussi utilisable pour fermer les cavités de stockage de déchets dangereux (chimiques et radioactifs) creusées dans un massif de sel gemme. Il fait partie d'un dispositif de protection visant à garantir la sécurité des personnes et de l'environnement à très long terme: sa fonction est d'éviter tout échange avec le milieu extérieur environnant. En conséquence, la démarche suivie a consisté à choisir le liant hydraulique le plus adéquat pour les formations salifères (recherches expérimentales sur les poudres, pâte fraîche de ciment et éprouvettes de ciment durci de différents liants hydrauliques: liant de base et liants à constituants secondaires). Nous avons montré par la suite la faisabilité de coulis hydrauliques, gachés à la saumure saturée et nous avons analysé l'influence de la saumure saturée sur les caractéristiques physico-chimiques et mécaniques des coulis de ciment étudiés. L'analyse des caractéristiques mécaniques intrinsèques des coulis de ciment saumures auxquels sont incorporés des éléments ultra fins (concentrations variables), super plastifiant et agent anti mousse ont montré la possibilité d'obtenir des coulis de ciment saumurés et microsilicés stables, de fluidité meilleure et de caractéristiques mécaniques convenables. Une étude sur le comportement rhéologique de ces coulis de ciment saumurés et microsilicés à des concentrations variables a également été réalisée à l'aide d'un viscosimètre adapté aux essais sur les coulis de ciment. Les résultats de cette étude rhéologique ont montré la variation du comportement à l'écoulement en fonction de la concentration en fumée de silice et en fonction du mode de mise en place du matériau (injection ou pervibration). La comparaison avec les modèles rhéologiques classiques ont montré, que d'une façon générale, les coulis de ciment saumurés et microsilicés, vibres avant le cisaillement, avaient un comportement rhéologique de type Herschel-Belkley. Par ailleurs, l'influence de la température sur le comportement rhéologique de ces matériaux spécifiques a été étudiée afin d'accéder aux propriétés du fluide dans des conditions proches de celle du terrain (prise en compte du gradient géothermique du terrain). Ceci nous a permis, de proposer un coulis de ciment saumuré et microsilicé stable et à concentration optimum en fumée de silice. Pour terminer cette étude, nous avons tenté d'estimer la durabilité de ces matériaux placés en milieu chimiquement agressif. A cet effet, on s'est appuyé sur les résultats de laboratoire qui ont permis d'apporter des éléments de réponse aux problèmes

La France, comme l'ensemble des pays industrialisés, compte sur son territoire de nombreux sites potentiellement pollués détenant des matériaux souillés par des goudrons issus de la pyrolyse de la houille. Devant la nécessité de traiter certains sites, de nombreuses techniques de dépollution ont vu le jour, notamment aux Etats-Unis, ou ont été adaptées à partir de celles existant pour les déchets solides. Il s'agit essentiellement de traitements thermiques, physico-chimiques (lavages, stabilisation-solidification,. . . ) ou des méthodes de confinement. Les méthodes biologiques prennent une faible part du marché. Le procédé d'extraction-lavage mis au point ici pour le traitement des matériaux souillés (gravats), à notre connaissance, n'a jamais été réalisé. Dans un premier temps, le travail effectué en laboratoire sur la faisabilité du traitement des matériaux souillés par des goudrons a permis d'élaborer une chaîne de traitement qui a conduit à la sélection d'un solvant organique pour la phase extraction et d'un détergent soluble pour la phase lavage des gravats. Après des résultats expérimentaux encourageants les travaux ont été poursuivis par une étude pilote et industrielle du procédé au cours de laquelle 600 m3 de matériaux souillés par des goudrons ont été traités. Le procédé d'extraction-lavage a diminué significativement les teneurs en HAP, phénols, ammonium, cyanures totaux et COT des gravats traités (granulométrie > 10 mm). Ces derniers ont été stockés sur le site. Les résultats obtenus à l'échelle industrielle sont intéressants du point de vue de la réduction de la masse totale des matériaux pollués à éliminer en centre spécialisé d'incinération. Des études complémentaires ont ensuite été entreprises pour optimiser le procédé et réduire la masse de sous-produits générés. Elles ont porté sur le traitement biologique des eaux de lavage et la stabilisation/solidification des résidus solides. Le procédé d'extraction s'est avéré efficace dans le cas décrit ici. Il devrait maintenant être testé sur d'autres sites contenant des matériaux souillés par des goudrons ayant des caractéristiques physico-chimiques différentes
France, as all industrialized countries, has on its territory many potentially contaminated sites containing coal-tar materials from past industrial activities. Specific remediation technologies have been developed, mainly in North America. Existing treatment technologies include thermal processes (incineration, desorption, vapor extraction. . . ), physical methods (such as solidification/stabilization, vitrification. . . ), chemical methods (extraction, washing) and biological processes to a lower extent. A non-destructive remediation process has been developed here to reduce the overall mass of contaminated materials to be incinerated. In a first step, laboratory feasibility studies have been conducted on coal-tar contaminated rubbles. A specific extraction-washing treatment chain has been developed, with the selection of an appropriate organic solvent for the extraction phase and a detergent for the washing phase of the process. Laboratory results being promising, the next step was to test the process at the pilot and industrial scales. Approximately 600 m3 of coal-tar contaminated rubbles from a mixture of various demolition materials were treated. The process included complete excavation of the rubbles contaminated with coal tar, contaminant extraction and washing to achieve specified cleanup levels for organic contaminants. Hence the extraction-washing process was able to significantly diminish most of the contamination associated with PAH, phenols, inorganic nitrogen compounds and total cyanides in the rubbles. Furthermore, the industrial scale data showed a significant total mass reduction of contaminated materials to be incinerated since the treated rubbles were disposed off on the site. In the third step of our study, experiments at the laboratory-scale were conducted in order to improve the process and reduce the amount of byproducts generated during treatment and requiring offsite disposal. Studies were performed on the biological treatment of the waste water containing complex organic pollutants such as phenolic compounds, on the mass reduction of wastes smaller than 10 mm with screening tests, and on the solidification/stabilization trials of other solid contaminated byproducts. The process should be now tested on other sites with rubbles contaminated with coal-tar having different physico-chemical characteristics

Valoriser les mâchefers d’incinération des déchets non dangereux (MIDND) en matériaux de construction afin de réduire leur stockage couteux en centre d’enfouissement technique et de préserver les ressources naturelles constitue un challenge. Un frein à cette valorisation est le potentiel polluant des métaux (notamment des Eléments Traces Métalliques ETM) et des anions susceptibles d’être relargués en scénarios d’utilisation. Cette thèse évalue l’impact de l’incorporation de MIDND dans une formulation de béton prêt à l’emploi. Elle contribue à améliorer la compréhension du comportement des ETM et des anions dans différentes conditions de lixiviation et à trouver des solutions adéquates pour limiter leur mobilité. La première partie présente l’évaluation technique et environnementale de bétons prêt à l’emploi formulés en remplaçant partiellement les granulats naturels par diverses fractions granulométriques de mâchefers incorporées à différents taux de substitution. Les résultats démontrent la conformité environnementale du scénario aux exigences règlementaires des Pays-Bas. Par contre, la résistance à la compression est réduite de moitié par rapport à la formulation standard. Un prétraitement des MIDND pourrait améliorer les performances mécaniques. La seconde partie décrit l’influence de prétraitements thermique et chimique sur la mobilité des ETM. Les résultats montrent que l’efficacité du traitement thermique dépend de la température et de l’élément ciblé. Le traitement chimique optimisé lors de cette étude apparait plus efficace. La troisième partie, dédiée à la modélisation géochimique du comportement des mâchefers en scénarios de lixiviation, a permis d’identifier les phases minéralogiques qui contrôlent la mobilité des ETM. Elle montre que les phases majoritaires imposent les paramètres de la solution tels que le pH et par suite, influe sur le relargage des ETM. Ces connaissances facilitent la définition des prétraitements éventuels à appliquer aux MIDND avant valorisation
Valorisation of Municipal Solid Waste Incineration Bottom Ash (MSWI-BA) in building materials in order to reduce their expansive storage in technical burying center and preserve the natural ressources constitutes a challenge. A hindrance of this valorisation is the pollutant potential of metals (especially mineral traces elements MTE) and anions likely to be released in use scenarios. This thesis evaluates the impact of incorporation of MSWI-BA into ready-mix concrete formulation. It helps to improve the understanding of MTE and anions behaviour in different leaching conditions and to find adequate solutions to limit their mobility. The first part presents the technical and environmental performances of ready-mix concrete formulated by partially replacing of the natural aggregates with different size fractions of BA incorporated at different substitution rates. The results demonstrate that the environmental performances of the scenario comply with the regulatory requirements of the Netherlands. On the other hand, the compressive strength is reduced by half compared to the standard formulation. Pretreatment of MSWI-BA could improve the mechanical performances. The second part describes the influence of thermal and chemical pretreatments on the mobility of MTE. The results show that the efficiency of the thermal treatment depends on the temperature and the target element. Optimised chemical treatment used in this study appears to be more effective. The third part, dedicated to the geochemical modeling of BA behaviour in leaching scenarios, allowed us to identify the mineralogical phases that control the mobility of MTE. It shows that the majority phases impose the parameters of the solution such as the pH and consequently, influences on the release of the MTE. This knowledge facilitates the definition of the possible pretreatments to be applied on the MSWI-BA before its valorisation

En Europe, plus de 250 accidents majeurs impliquant des sites industriels soumis à la Directive Seveso ont été signalés depuis 2010. Malgré les réglementations en place visant à prévenir de tels accidents et à en minimiser l'impact, la gestion des risques après ces catastrophes reste un défi complexe. Lorsqu'un désastre industriel survient, des informations préliminaires sur le terrain sont collectées pour déterminer l'étendue de l'accident, et des décisions opérationnelles doivent être prises en fonction de la nature dangereuse des produits impliqués et de l'étendue de la zone affectée. Dans cette thèse, nous explorons le domaine des problèmes complexes de planification étroitement liés aux facteurs de risque découlant du traitement (nettoyage ou neutralisation) de substances dangereuses accidentellement libérées par des sources industrielles. L'objectif principal est de développer des modèles d'optimisation et des solutions efficaces qui abordent les défis auxquels sont confrontés les secteurs industriels et les opérations logistiques. Nous proposons de nouveaux problèmes d'optimisation pour établir un cadre de planification des opérations sur site visant à nettoyer ou neutraliser les dangers potentiels. Nous présentons plusieurs scénarios de problèmes et investiguons leurs résultats numériques obtenus par les différentes méthodes d'optimisation. Ces méthodes, conjointement avec les plans de gestion des risques déjà existants, peuvent fournir des insights intéressants pour être appliqués à des situations réalistes
In Europe, more than 250 major accidents involving industrial sites under the Seveso Directive have been reported since 2010. Despite regulations in place to prevent such accidents and minimize their impact, managing risk after these disasters remains a complex challenge. Once an industrial disaster occurs, preliminary on-the-ground information is collected to determine the extent of the accident, and operational decisions need to be made based on the hazardous nature of the products involved and the extent of the affected area. In this thesis, we delve into the realm of complex scheduling problems closely linked to risk factors arising from the treatment (cleaning or neutralizing) of hazardous substances accidentally released by industrial sources. The primary objective is to develop effective optimization models and solutions addressing the challenges faced by industries and logistical operations. We propose new optimization problems to establish a framework for scheduling on-site operations to either clean or neutralize potential hazards. We present mathematical formulations and an Iterated Local Search metaheuristic. The methods were applied to solve various problem scenarios, and we investigate their numerical results and their applicability to realistic situations

Ce travail de recherche doctorale s’intéresse spécifiquement aux déchets granulaires minéraux issus de mâchefers d’incinération de déchets non dangereux (MIDND). Il vise à l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que les MIDND classiquement produits en sortie d’usine ou d’installation dans une finalité de valorisation à plus forte valeur ajoutée dans une matrice cimentaire. Dans une première partie, une méthodologie de traitement pour l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que ceux standards au sens enlèvement des métaux ferreux et non-ferreux est proposée. Cette méthodologie repose sur un broyage de la fraction 0-20 mm des MIDND par le procédé BHS. La fraction 0-4 mm majoritaire obtenue est traitée par des tambours magnétiques à pôles axiaux et par de séparateur à courants de Foucault NES4T de STEINERT. Dans une seconde partie, une caractérisation physique, chimique, minéralogique et environnementale des sables de mâchefers non traités et améliorés est effectuée. Dans une finalité de valorisation en matrice cimentaire, la troisième partie de la thèse s’est focalisée sur la fraction la plus problématique des MIDND, à savoir la fraction 0-2 mm. Les fractions granulaires 0-2 mm élaborées sont utilisées en substitution volumique partielle (50% et 75%) et totale (100%) d’un sable de référence normalisé dans la formulation de mortiers cimentaires. Une caractérisation physique, mécanique et environnementale des mortiers confectionnés est réalisée à différentes échéances de cure humide, jusqu’à 180 jours. Les résistances mécaniques des mortiers à base de mâchefers sont encourageantes et prometteuses. Enfin, une caractérisation des pâtes de ciment incorporant des sables de mâchefers est effectuée par la technique d’indentation instrumentée à travers la détermination du module élastique et la dureté
This doctoral study focuses on granular mineral wastes from municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash. This research is aiming to elaborate upgraded mineral sands fractions in comparison to standard MSWI bottom ash thanks to its beneficial use in cementitious materials. In the first step, a new methodology is proposed for dry separation of MSWI bottom ash in order to better recover ferrous and non-ferrous metals from the sands fractions and obtain an improved mineral sand fraction at the same time. This proposed methodology is composed of grinding of 0-20 mm input bottom ash fraction through BHS crushers. Subsequently, the main sand fraction (0-4 mm) is processed through magnetic drums and the innovative non-ferrous metal separator NES 4T of STEINERT process. In the second step, physical, chemical, mineralogical and environmental characterizations have been performed on untreated and treated sands fractions. The third step of this research focuses on beneficial use of the 0-2 mm granular fraction in cementitious materials, that is considered most problematic of MSWI bottom ash fractions. The standardized reference sand is replaced in volume for the partial substitution (50% and 75%) and total substitution (100%) by 0-2 mm upgraded mineral fractions in the mortar preparation. Physical, mechanical and environmental characterization have been performed on cement mortar up to 180 days of moist curing. Compressive strengths of mortar containing upgraded bottom ash are promising. Finally, a mechanical characterization on hardened cement paste has been performed as well on mortar containing upgraded bottom ash fractions through indentation technique in order to determine the modulus of elasticity and hardness

Les ciments phosphomagnésiens sont des ciments inorganiques de la famille des ciments activés par des acides. Malgré le fait qu'ils soient connus depuis le début du XXème siècle, leur utilisation reste assez limitée dans le génie civil. Ces matériaux sont utilisés dans le cadre de réparation notamment pour des réparations routières qui nécessitent un développement rapide des résistances en compression. Plus récemment, ces ciments ont été utilisés pour des applications de stabilisation/solidification (S/S) des déchets et notamment de certains types de déchets chimiquement incompatibles avec le ciment Portland. Toutefois, les défis de mise en œuvre de ce type de ciment sont liés à la nature même de la réaction, très exothermique et très rapide. La phase liante de ces ciments, la k-struvite (MgKPO4.6H2O), est obtenue par un mélange de magnésie (MgO) et de dihydrophosphate de potassium (KH2PO4) en présence d'eau. MgO + KH2PO4 + 5H2O  MgKPO4.6H2OLes mécanismes qui régissent la prise de ce ciment sont encore mal connus et plusieurs théories, mettant en jeu ou non la formation de produits secondaires, ont été proposées. Nos travaux de recherche ont porté sur la compréhension des mécanismes de prise des ciments phosphomagnésiens ainsi que sur l'influence des paramètres de formulation sur les propriétés de ces ciments. L'étude a montré que la formation de la k-struvite passe par une réaction de précipitation-dissolution d'un produit intermédiaire, la newberyite (MgHPO4.3H2O). Les réactions de formation de ces deux produits sont contrôlées par le taux de sursaturation des espèces en solution et le pH du milieu réactionnel. L'étude met également en lumière la forte sensibilité de ces ciments à la quantité d'eau introduite. Avec un rapport E/C très faible comparativement à un ciment Portland (rapport E/C compris entre 0,1 et 0,25), une faible variation (0,02) entraine la ségrégation de la pâte de ciment et une hétérogénéité à la surface du matériau. Parmi les paramètres de formulation, le rapport molaire MgO/KH2PO4 (Mg/P) est le plus important. En effet, il influe sur la quasi-totalité des propriétés du ciment : résistance en compression, temps de prise, chaleur de réaction, fluidité de la pâte, …. L'utilisation de faibles rapports Mg/P entraine une mauvaise tenue à l'eau du ciment, la formation de cristaux à l'intérieur de la microstructure et visibles à la surface de l'échantillon (apparition d'une efflorescence) ainsi qu'un gonflement important de la pâte de ciment (pouvant aller jusqu'à la fissuration des échantillons). A l'issue de l'étude paramétrique une formulation d'une pâte a pu être définie. Des mesures de variations dimensionnelles, ainsi que des mesures de retrait chimique ont été effectuées, afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu pour induire les phénomènes de gonflement. En support, des analyses de la microstructure (MEB, DRX, ATG) ainsi que des essais de lixiviation viennent compléter la campagne expérimentale. Ces résultats viennent confirmer l'influence d'un rapport Mg/P faible sur le gonflement et la tenue à l'eau du ciment phosphomagnésien. Pour finir, une étude sur l'influence des divers ajouts, dans le but d'améliorer ses performances, a montré que les fillers inertes (sable siliceux ou cendres volantes) retardent le temps de prise et réduisent la chaleur d'hydratation
Magnesium phosphate cements are the most representative cements of the activated-by-acid cements family. Despite the fact that they are known since the early 20th century, their use in civil engineering is fairly limited. These materials are used for road repairs where the fast compressive strength development is an advantage. Recently they have also been used in wastes stabilization/solidification (S/S), especially with wastes incompatible with Portland cement. The challenges of the use of these cements are related to the nature of their formation reaction: fast, very exothermic, with a very short setting time (only a few minutes).The bonding phase, k-struvite (MgKPO4.6H2O), is obtained from magnesium oxide mixed in water with monopotassium phosphate (KH2PO4).MgO + KH2PO4 + 5H2O  MgKPO4.6H2OThe setting mechanisms are still poorly known and various theories, involving or not secondary product formation, have been suggested. Our researches have aimed to understand the setting mechanisms, as well as the influence of the formulation parameters on the properties of the magnesium phosphate cement. Results show that the formation of k-struvite involved a precipitation-dissolution reaction of an intermediate product, the newberyite (MgHPO4.3H2O). Formation reactions of these two products are controlled by the supersaturation rate and the pH of the solution. The study highlights the strong effect of water on the properties of fresh cement paste. With a low mass ratio e/c in comparison of Portland cement (ratio e/c between 0,1 and 0,25), a slight modification of the ratio (0,02) leads to a segregation and a surface heterogeneity of the cement paste. Among the formulation parameters, the molar ratio MgO/KH2PO4 (Mg/P) seems the most important parameter. Indeed, it impacts most of the properties of the magnesium phosphate cement (compressive strength, setting time, reaction heat, paste fluidity …). Low Mg/P ratios lead to poor water resistance, to crystals formation inside the microstructure that can be seen on the surface of the sample (an efflorescence appearance), and to important swelling of the paste, leading to the cracking of the samples. After the parametric study, a magnesium phosphate cement paste has been defined. Dimensional changes and chemical shrinkage measurement were conducted to understand the mechanisms involved in this swelling phenomenon. In support, microstructural analyses (SEM, XRD, TGA) and leaching tests complete the experimental campaign. The results confirm the influence of a low Mg/P ratio on cement swelling and water resistance. Finally, a study on various additions to the paste has been conducted, with the purpose of improving the cement paste performances. It shows that the addition of an inert filler (siliceous sand or fly ashes) has a retarding effect and reduced the reaction heat

Le transport fluvial est un enjeu majeur pour le développement des sociétés humaines. Il génère de l'emploi, désengorge le trafic routier et contribue au développement durable. L'envasement des voies navigables rend nécessaire et obligatoire leur entretien. L'absence de curage des sédiments accentue les risques d'inondation, entraîne une limitation du trafic fluvial allant jusqu'à l'inactivité complète de certaines voies d'eaux, provoquant des déviations et la baisse de la compétitivité pour un secteur entier. L'extraction des sédiments n'est pas systématique car elle soulève des problèmes d'ordre écologique, politique et financier. L'important volume de sédiments pollués (métaux lourds, matières organiques,. . . ) à draguer nécessite une prise en charge, actuellement, inadaptée ou inexistante. Nos échantillons ont été traités afin que les métaux lourds y soient stabilisés. Après une étude des différentes solutions et traitements existants, nous avons travaillé en partenariat avec l'entreprise SOLVAY qui a développé le procédé chimique NOVOSOL® à base d'acide phosphorique. La valorisation de ces nouveaux produits stabilisés a été l'objectif de ce travail de thèse. Après une caractérisation environnementale et minérale des sédiments avant et après traitement, nous avons élaboré et caractérisé des nouveaux matériaux de construction à base de sédiments fluviaux stabilisés. Les applications se sont limitées à des éléments compressés et des bétons. Ces premières pistes de valorisation offrent des perspectives attrayantes et évolutives grâce aux enseignements acquis, au perfectionnement de la méthodologie, à une meilleure maîtrise des matériaux et de leur mise en œuvre
The river transport is a major stake for the development of the human societies. It generates employment, unblocks the road traffic and contributes to the sustainable development. The silting of the inland waterways makes necessary and compulsory their maintenance. The absence of clearing out of the sediments accentuates the risks of flood, involves a river traffic restraint going until the complete inactivity of certain water ways, causing deviations and the fall of competitivity for a whole sector. The extraction of the sediments is not systematic because it raises problems of an ecological, political and financial nature. The important volume of sediments polluted (heavy metals, organic matter. . . ) to dredge requires an assumption of responsibility, currently, unsuitable or non-existent. Our samples were treated so that heavy metals are stabilized there. After a study of the various solutions and existing treatments, we worked in partnership with the company SOLVAY which developed the chemical process NOVOSOL® based on phosphoric acid. The valorisation of these new stabilized products was the objective of this work of thesis. After an environmental and mineral characterization of the sediments before and after treatment, we worked out and characterized new building materials containing stabilized river sediments. The applications were limited to compressed elements and concretes. These first tracks of valorisation offer attractive and evolutionary prospects thanks to the acquired lesson, with the improvement of methodology, a better control of materials and of their implementation

Dans un contexte accru d’économie circulaire et de valorisation des matières premières recyclées, les mâchefers d’incinération de déchets non dangereux (MIDND) constituent des déchets granulaires minéraux identifiés comme ressources renouvelables potentiellement valorisables dans la filière construction, notamment dans le domaine des matériaux cimentaires (type mortier/béton). Compte tenu de l'origine et de la nature des granulats de mâchefers, dans une finalité de concourir à une meilleure compatibilité mâchefer/ciment, il apparait essentiel en premier lieu de considérer des fractions minérales de mâchefers au mieux épurées par l’optimisation de l’enlèvement des métaux ferreux, non-ferreux et indésirables. En second temps, tenant compte des spécificités physico-chimiques résultantes des mâchefers, le choix de la base cimentaire constitue le second facteur prépondérant en sus de la nécessité de meilleure qualité de la fraction minérale de mâchefer. Le présent travail doctoral traite spécifiquement de l’apport de l’utilisation d’un ciment sulfo-alumineux dans le contexte de valorisation des mâchefers en matrice cimentaire. Des sables de mâchefers améliorés de fraction 0/2 mm ont été élaborés et utilisés pour l’étude. Dans une première partie, les résultats de formulation de mortiers cimentaires (ciment Portland, noté OPC / ciment sulfo-alumineux, noté CSA) à base de mâchefers en substitution volumique partielle du sable naturel (25, 50 et 75 %) et totale (100 %), mettent en évidence l’apport bénéfique du ciment CSA sur les résistances en compression par comparaison aux mortiers OPC. Une analyse expérimentale du réseau poreux des mortiers à 90 jours révèle que la frange de porosité supérieure à 50 nm est nettement plus faible pour les mortiers CSA. La thèse met en évidence un résultat majeur et pionnier : en interaction mâchefer, le niveau de basicité du milieu réactionnel joue un rôle prépondérant sur le potentiel de dégagement gazeux (hydrogène) après la mise en œuvre et avant la prise. Ce gaz impacte le niveau de porosité de la frange la plus grossière des mortiers durcis. La seconde partie concerne l’étude physique et microstructurale des mortiers soumis à l’attaque à l’eau pure ou à attaque sulfatique pour des substitutions volumiques de 50 et 100 %, avec les témoins pour référentiels. Les observations MEB sur les différentes matrices mettent en évidence une nette moindre sensibilité des mortiers mâchefer/CSA que des mortiers mâchefer/OPC, traduit par des porosités, fissurations et épaisseurs dégradées moindres
In a world where circular economy and the valorization of raw materials is taking a greater importance, municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash is identified as potentially renewable resource in the construction field and more specifically in cementitious materials like mortar and concrete. Given the origin of the bottom ash and in order to have a better cement/MSWI bottom ash compatibility, the fraction used was as refined as possible by removing ferrous, non-ferrous and unwanted materials. The choice of the cement used is a critical factor as well because it affects the quality of the end product since MSWI bottom ash has particular physicochemical properties. The work in this PhD studies the advantages of using a sulfo-aluminate cement to valorize an improved 0/2 mm fraction of bottom ash that has been developed to be used in cementitious matrices. The first part presents the results of the mortar sample mixes containing bottom ash in a substitution by volume of the standard sand. To better highlight the effect of using a sulfo-aluminate (CSA), CSA mortars containing bottom ash were compared to a Portland cement (OPC) mortars, with substitution rates of 25 %, 50 %, 75 % and 100 % were used. A study of the porosity was then conducted at 90 days ; it shows that the pores larger to 50 nm are remarkably less present for CSA mortars. This thesis brings forward a major and innovative result : the level of alkalinity of the mortar plays an important role in the release of hydrogen gas after mixing and before setting. The presence of these gases creates large porosity in the hardened mortar samples. The second part studies the physical and microstructural aspects of the mortars after being immersed in aggressive environments : pure water and sulfate solution. The substitution rates used in this experiment were 50 % and 100 % by volume as well as the reference mortars with no bottom ash. These samples were then studied in the SEM which showed that CSA/bottom ash mortars were clearly less affected than the OPC/bottom ash mortars. This was highlighted by the porosity, the cracking and the depth of degraded zone

Dans ce travail, il est question d'étudier la faisabilité d'une valorisation en techniques routières de granulats de Mâchefers d'Incinération des Dèchets Non Dangereux (MIDND). Cette étude se base en premier lieu sur une analyse expérimentale ayant permis d'obtenir leurs propriétés élastiques. Ces propriétés servent de données d'entrée à une modélisation multi-échelle hiérarchique développée pour étudier le comportement mécanique de graves base de MIDND traitées aux liants (ciment et bitume). La campagne expérimentale originale sur des particules de mâchefers a permis de les cartographier au Microscope Electronique à Balayage (MEB Pour ces particules, des modules d'élasticité moyens réduits variant de 15 à 68 GPa ont été trouvés par le biais de tests d'indentation en appliquant méthode de «Olivier and Pharr ». Les analyses chimiques ponctuelles qualitatives (EDS) effectuées ont permis d'obtenir la composition chimique des granulats de mâchefers. Partant d'une granulométrie de particules de MIDND 0/25 qui a fait l'objet d'une étude expérimentale [BEC 07], nous avons mis en place des modèles numériques 3D de grave routière traitée aux liants dans des Volumes Elémentaires Représentatifs (VER). Ces modèles sont basés sur une stratégie de modélisation dite « multi-échelles » hiérarchique. Deux types de liant sont étudiés : le ciment CEM 1 42,5 R et le bitume de [NGU 08). Pour les deux types de liant, les agrégats traités ont été décomposés en deux VER : sub-mesoscopique (0/6) et mesoscopique (6/25). Une application à valorisation des MIDND en techniques routières est faite dans les deux cas. Avec un traitement à 3% de ciment, une campagne de simulations numériques "Laboratoire virtuel" a été menée. A l'échelle sub-mesoscopique, des simulations multiaxiales menées sur le VER, ont conduit à l'obtention des paramètres permettant d'alimenter un modèle d'endommagement plastique utilisé à l'échelle mesoscopique pour différents degrés d'hydratation. A l'échelle mesoscopique, les caractéristiques mécaniques de la grave routière traitée au ciment, habituellement déterminées par le biais d'expérimentations, ont été retrouvées. La modélisation développée a ensuite été validée e comparant nos résultats numériques et quelques résultats expérimentaux de [BEC 07]. Avec un traitement à 5% de bitume, des tests de relaxation de contraintes ont été effectués aux deux échelles ct ont permis d'obtenir les propriétés thermo-rhéologiques de la grave de mâchefers traités au bitume : les modules de relaxation sont exprimés sous la forme de séries de Prony à une température de référence de 0 °C ; par ailleurs, les constantes de la loi Williams-Landel-Ferry (WLF) pour décrire le comportement thermo- rhéologiquement simple sont identifiées. Les séries de Prony sont obtenues par l'intermédiaire des modules élastiques normalisés. Les constantes de 1 WLF obtenues sont C 1 = 20 °C-1 ct C2 = 130 °C. La validation des paramètres identifiés a été faite en comparant les réponses du matériau hétérogène de grave-bitume et celles d'un matériau homogène à qui nous avons donné les propriétés identifiées tirées du matériau hétérogène
In this work, the feasibility of a valorisation in road engineering of non-hazardous waste incineration bottom ash aggregates (NHWI) is investigated. This study is first based on an experimental determination of the elastic properties of the bottom ash particles. These properties serve as input data for hierarchical multi-scale modelling developed to study the mechanical behaviour of aggregates treated with binders (cement and bitumen). The original experimental campaign on the bottom ash particles allowed them to be mapped to the Scanning Electron Microscope (SEM). For the particles, a mean reduced modulus of elasticity in between 15 and 68 GPa was found by means of indentation tests and applying the "Olivier and Phan method. The chemical analysis of the aggregates was obtained using qualitative point chemical analyzes (OHS). Based on a 0/25 particle size distribution of NHWI, which was the subject of an experimental study [BEC 07] , we have implemented two 30 models < road materials treated with binders in Representative Elementary Volumes (REV). These models are based on a hierarchical multi-scale modelling strategy. Two types of binder are studied: cement CEM I 42.5 R and bitumen of [NGU 08]. For both types of binder, the treated aggregates we divided into two REV, at respectively the sub-mesoscale (0/6 mm) and the mesoscale (6/25 mm). An application to the valorisation of NHWI bottom ashes in road engineering is studied in both cases. With a 3% cement treatment, a numerical simulation campaign "Virtual Laboratory" was conducted. At the sub-mesoscale, the input parameters for the Concrete Damaged Plasticity Model used at the mesoscale are determined. At the mesoscale, the mechanical characteristics of the road materials usually determined through experiments have been found. The developed simulation strategy has been validated by comparing our numerical results and son experimental results of [BEC 07]. With a 5% bitumen treatment, stress relaxation tests carried out at the two scales enable one to obtain the thermo-rheological properties of the Bitumen Bound Gravel. These properties are the Prony series at a reference temperature of 0°C and the Williams-Landei- Ferry (WLF) law constants. Prony series are obtained by means of standardized elastic moduli. The obtained WLF law constants are Cl = 20 °C-1 and C2 = 130 °C. The numeric simulations have been validated by comparing the responses of heterogeneous and corresponding homogeneous materials

Les rejets des Usines à Zinc de Kolwezi contiennent majoritairement du zinc sous forme réfractaire (ferrite) au traitement hydrométallurgique conventionnel. Ils contiennent d’autres métaux « lourds » qui les rendent dangereux vis-à-vis de l’environnement dans lequel ils sont actuellement entreposés. Ces métaux, dont la plupart peuvent être valorisés, font de ces rejets un véritable gisement secondaire. Il est donc impératif de mettre au point un procédé adéquat de valorisation ;d’où le thème de la présente thèse :« Etude de valorisation des rejets des Usines à Zinc de Kolwezi, RDC ».

A l’aide des techniques modernes de caractérisation (physico–chimique, minéralogique et morphologique), nous sommes arrivés à cibler, à adapter et à justifier l’utilisation d’une technique de valorisation des matières minérales existantes. Les minéraux utiles contenus dans les rejets UZK ont été sulfatés par digestion et sélectivement mis en solution après un grillage. La sulfatation s’est avérée l’étape déterminante du procédé et un intérêt particulier a été focalisé sur cette étape en réalisant une étude cinétique approfondie.

Les données et informations récoltées tout le long de cette recherche nous ont permis de réaliser une simulation du procédé par le logiciel ASPEN PLUS. Ce qui a permis de faire une ébauche d’un schéma de traitement industriel. Ce dernier s’est avéré souple vis-à-vis de l’utilisation d’autres matières comme les calcines des concentrés sulfurés cuivre-zinc.

Residues from the Kolwezi Zinc Plant (Usines à Zinc de Kolwezi UZK) essentially contain zinc in a refractory (ferrite) form, which is difficult to recover by conventional hydrometallurgical methods. « Heavy» metals are also present that make them hazardous towards the environment in which they are currently stored. Most of these metals are valuable; thus, the UZK residues are a real secondary deposit. It is therefore imperative to develop an appropriate method of treatment, hence the theme of the present thesis: « Recovery study of values metals from Kolwezi Zinc Plant residues, DRC ».

Using modern techniques of characterization (physical and chemical, mineralogical and morphological), we focused, adapted and justified the use of a technique for efficient recovery of the existing valuable minerals. The minerals contained in UZK residues have been sulphated by digestion and thereafter selectively dissolved after roasting. Sulphatation proved to be the decisive step of the process and a particular attention has been given to this step by performing a detailed kinetic study.

The data and information collected throughout this research allowed a simulation of the developed method by using the « Aspen Plus » software. This allowed us to propose a draft scheme of industrial processing. The latter proved flexible towards the use of other materials such as calcines of copper-zinc sulphide concentrates.

Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'accumulation des sédiments au fond des cours d'eau et des ports pose un problème économique et environnemental. En effet, les particules les plus fines fixent une contamination à la fois organique (HAP, PCB, hydrocarbures) et inorganique (métaux lourds). Une législation de plus en plus sensible à la protection de l'environnement réglemente désormais le dragage et le relargage des sédiments. La société Solvay a mis au point un procédé de traitement baptisé Novosol®, basé sur l'immobilisation des métaux lourds par phosphatation et sur l'élimination des matières organiques par calcination.
La valorisation des sédiments traités comme granulat de substitution dans les matériaux à matrice cimentaire fait l'objet de ce travail de thèse.
La caractérisation de ces granulats a révélé une porosité et une absorption d'eau très élevées. Constitués par l'agglomération de particules plus fines ils se révèlent friables. Cependant, utilisés en substitution d'un sable de Seine classique pour la confection d'un mortier, l'étude expérimentale de valorisation a montré des gains de résistance à la compression uniaxiale, et ce, même pour une substitution complète du sable. Ces gains ont été attribués au phénomène de cure interne, à l'amélioration de l'interface pâte granulat ainsi qu'à un effet filler. Cela pourrait également expliquer la réduction observée de la perméabilité au gaz. La déformabilité des granulats conduit toutefois à un retrait de dessiccation élevé. Une formulation appropriée permet également l'obtention d'un matériau durable vis-à-vis, notamment, du gel/dégel ou de l'exposition à l'eau de mer.
La valorisation dans les matériaux cimentaires est donc envisageable.

Tous les produits de construction ou les ouvrages qui sont en contact avec l’eau de pluie, sont susceptibles de relarguer des composants chimiques potentiellement dangereux pour la santé humaine et l’environnement. Actuellement, le relargage des substances dangereuses dans l’eau est évalué essentiellement par des méthodes expérimentales - généralement des essais de lixiviation réalisées à l’échelle du laboratoire. Par ailleurs, les impacts environnementaux des produits de construction et des bâtiments sont évalués par l’approche Analyse de Cycle de Vie (ACV), réalisées à partir de données propres aux fabricants et de données génériques existantes constituées en bases de données. Or, les émissions de polluants pendant la vie en oeuvre des produits de construction sont actuellement mal prises en compte dans ces mêmes bases de données existantes et dans les méthodes utilisées pour l’évaluation des performances environnementales des produits et des bâtiments.Dans ce contexte, les objectifs de ces travaux ont été : (i) de développer une méthodologie pour l’évaluation du comportement à la lixiviation de différentes matrices de produits de construction et (ii) d’intégrer les données de lixiviation dans les méthodes ACV à l’échelle du bâtiment. La méthodologie développée pour l’évaluation du comportement à la lixiviation des produits de construction est basée sur : (1) des essais de caractérisation à la lixiviation, selon les méthodes standardisées d’évaluation répondant au Règlement Produits de Construction (RPC), (2) la modélisation et la simulation des phénomènes couplés chimie-transport à l’échelle laboratoire et vraie grandeur et (3) l’intégration des données de lixiviation, obtenues par des simulations numériques en conditions d’exposition naturelle des produits de construction, dans les méthodes ACV, aux échelles produit et bâtiment.La méthodologie proposée a été appliquée et validée sur trois produits de construction : le bois traité CBA (Cuivre - Bore - Azole), la plaque fibrociment et la membrane bitumineuse. Les comportements à la lixiviation du bois traité CBA et de la plaque fibrociment a été simulé pour des conditions naturelles d’exposition à long terme, en utilisant le logiciel géochimique PHREEQC®. Les modèles chimiques développées permettent de considérer les matrices organiques et minérales et leurs interactions avec les polluants. Les phénomènes de transport des substances ont été également modélisés. Les modèles d’émission développés (couplage chimie-transport) permettent de simuler la lixiviation dynamique des produits considérés, pour différentes conditions d’exposition. Pour la membrane bitumineuse, seule la caractérisation expérimentale a été réalisée. Les données de lixiviation obtenues lors des simulations sur la durée de vie en oeuvre des produits ont été intégrées dans les inventaires respectifs du cycle de vie (ICV) des produits. Des méthodes d’impact spécifiques ont été utilisées en association avec les inventaires enrichis pour évaluer les impacts “pollution de l’eau”, “toxicité humaine” et “écotoxicité” des produits considérés. L’ACV d’une maison simplifiée a été réalisée en utilisant le logiciel ELODIE. La méthode d’évaluation à l’échelle bâtiment consiste à intégrer les nouvelles données construites sur la base de la méthodologie développée à l’échelle produit aux autres données d’ACV à l’échelle bâtiment. La méthodologie développée au cours de ces travaux permet donc l’intégration des données de lixiviation dans les outils ACV dédiés au bâtiment
Any construction product and building undergoing contact with water during its life cycle can release chemical compounds potentially hazardous for the human health and the environment. The release of dangerous substances is presently investigated especially by experimental approaches commonly by laboratory leaching tests while the environmental impacts of construction products and buildings are evaluated by a Life Cycle Assessment (LCA) approach. The dangerous substances release during use stage of construction products (leaching behaviour) is currently very poorly represented in the existing data bases and methods for environmental assessment of construction products and buildings.In this context, the main objectives of this study were: (i) to develop a methodology for the assessment of the leaching behaviour of various construction products and (ii) to integrate the leaching data in LCA approach at building scale. The methodology developed for the assessment of the leaching behaviour of construction products is based on: (1) characterisation leaching tests at lab scale, following the horizontal standardised assessment methods for harmonised approaches relating to dangerous substances under the Construction Products Regulation (CPR), (2) modelling and simulation of coupled chemical and transport phenomena at lab and field scale, and (3) utilisation of simulated leaching data for the construction products exposed in natural condition with the LCA method for the characterization of the hazardous effect during the use stage. The proposed methodology was applied and validated on three different classical construction products i.e. CBA (Copper-Boron-Azole) treated wood, fibre-cement sheets and bitumen membranes. The leaching behaviour of CBA treated wood and fibre-cement sheets was simulated over several years under natural exposure conditions, using the geochemical software PHREEQC. The chemical models consider both the mineral and the organic matrixes and their interaction with treatmentcompounds. Mass transfer and transport phenomena were modelled. The developed coupled chemical-transport models are able to represent the dynamic leaching behaviour of the respective products in various leaching conditions. For bitumen membranes only experimental characterisation was possible. The leaching data obtained by simulation over the whole use stage of the products were integrated in the life cycle inventory (LCI) and the relevant life cycle impact assessment (LCIA) methods were applied with the enriched inventory. A simplified single-family house was modelled using a software designed to evaluate the intrinsic environmental performances of a building over its entire life cycle. ELODIE software was used in this work. The building scale assessment methodology is based on coupling the methodology developed for the product scale with the Life Cycle Assessment (LCA) at building scale. This methodology allows a proper integration of leaching data in LCA tools and answers several technical questions raised in the field

La théorie de l'échantillonnage des matières morcelées développée par P. Gy a permis de répondre, en partie, aux problèmes d'échantillonnage liés aux fortes hétérogénéités de composition (matériaux complexes et mal connus) et de distribution (variabilités dans l'espace et dans le temps), de minerais ou de déchets. Toutefois, les applications les plus communes de cette théorie concernent la mesure de grandeurs massiques, essentiellement des teneurs en composants minéralogiques ou chimiques. Les travaux réalisés ont permis de montrer que la caractérisation de certains milieux hétérogènes - comme les déchets en vue de l'évaluation de leur potentiel polluant - se fait aussi à partir de mesures de grandeurs de comportement liées à la répartition de volumes élémentaires, de surfaces d'échanges ou à des réactions mutuelles. Ces mesures étant généralement réalisées sur échantillons, il devient alors nécessaire d'adapter la théorie générale de l'échantillonnage pour valider les résultats obtenus grâce à ces mesures. Les apports les plus originaux de cette recherche résident ainsi dans: - l'adaptation de la théorie de l'échantillonnage des matières morcelées à différents cas de déchets ou milieux hétérogènes (ordures ménagères, déchets industriels, sols pollués), - l'adaptation de la théorie de l'échantillonnage à la maitrise de la mesure de grandeurs ne relevant pas directement de la seule masse des particules (teneurs minéralogiques ou chimiques), mais d'autres paramètres (surfaces d'échanges, volumes) ou de leur association, - la traduction de ces résultats sous la forme d'un outil informatique dédié, aisément praticable par le technicien ou l'ingénieur en charge de problèmes d'échantillonnage de solides ou milieux hétérogènes (déchets ménagers, déchets industriels, sols pollués, minéraux et minerais). L’ensemble de la démarche présentée ici, devrait donc contribuer à éclairer les stratégies d'échantillonnage, resituer les ambitions analytiques ultérieures dans leurs limites de pertinence et établir ou évaluer certains protocoles décisionnels

Tous les produits de construction ou les ouvrages qui sont en contact avec l’eau de pluie, sont susceptibles de relarguer des composants chimiques potentiellement dangereux pour la santé humaine et l’environnement. Actuellement, le relargage des substances dangereuses dans l’eau est évalué essentiellement par des méthodes expérimentales - généralement des essais de lixiviation réalisées à l’échelle du laboratoire. Par ailleurs, les impacts environnementaux des produits de construction et des bâtiments sont évalués par l’approche Analyse de Cycle de Vie (ACV), réalisées à partir de données propres aux fabricants et de données génériques existantes constituées en bases de données. Or, les émissions de polluants pendant la vie en oeuvre des produits de construction sont actuellement mal prises en compte dans ces mêmes bases de données existantes et dans les méthodes utilisées pour l’évaluation des performances environnementales des produits et des bâtiments.Dans ce contexte, les objectifs de ces travaux ont été : (i) de développer une méthodologie pour l’évaluation du comportement à la lixiviation de différentes matrices de produits de construction et (ii) d’intégrer les données de lixiviation dans les méthodes ACV à l’échelle du bâtiment. La méthodologie développée pour l’évaluation du comportement à la lixiviation des produits de construction est basée sur : (1) des essais de caractérisation à la lixiviation, selon les méthodes standardisées d’évaluation répondant au Règlement Produits de Construction (RPC), (2) la modélisation et la simulation des phénomènes couplés chimie-transport à l’échelle laboratoire et vraie grandeur et (3) l’intégration des données de lixiviation, obtenues par des simulations numériques en conditions d’exposition naturelle des produits de construction, dans les méthodes ACV, aux échelles produit et bâtiment.La méthodologie proposée a été appliquée et validée sur trois produits de construction : le bois traité CBA (Cuivre - Bore - Azole), la plaque fibrociment et la membrane bitumineuse. Les comportements à la lixiviation du bois traité CBA et de la plaque fibrociment a été simulé pour des conditions naturelles d’exposition à long terme, en utilisant le logiciel géochimique PHREEQC®. Les modèles chimiques développées permettent de considérer les matrices organiques et minérales et leurs interactions avec les polluants. Les phénomènes de transport des substances ont été également modélisés. Les modèles d’émission développés (couplage chimie-transport) permettent de simuler la lixiviation dynamique des produits considérés, pour différentes conditions d’exposition. Pour la membrane bitumineuse, seule la caractérisation expérimentale a été réalisée. Les données de lixiviation obtenues lors des simulations sur la durée de vie en oeuvre des produits ont été intégrées dans les inventaires respectifs du cycle de vie (ICV) des produits. Des méthodes d’impact spécifiques ont été utilisées en association avec les inventaires enrichis pour évaluer les impacts “pollution de l’eau”, “toxicité humaine” et “écotoxicité” des produits considérés. L’ACV d’une maison simplifiée a été réalisée en utilisant le logiciel ELODIE. La méthode d’évaluation à l’échelle bâtiment consiste à intégrer les nouvelles données construites sur la base de la méthodologie développée à l’échelle produit aux autres données d’ACV à l’échelle bâtiment. La méthodologie développée au cours de ces travaux permet donc l’intégration des données de lixiviation dans les outils ACV dédiés au bâtiment
Any construction product and building undergoing contact with water during its life cycle can release chemical compounds potentially hazardous for the human health and the environment. The release of dangerous substances is presently investigated especially by experimental approaches commonly by laboratory leaching tests while the environmental impacts of construction products and buildings are evaluated by a Life Cycle Assessment (LCA) approach. The dangerous substances release during use stage of construction products (leaching behaviour) is currently very poorly represented in the existing data bases and methods for environmental assessment of construction products and buildings.In this context, the main objectives of this study were: (i) to develop a methodology for the assessment of the leaching behaviour of various construction products and (ii) to integrate the leaching data in LCA approach at building scale. The methodology developed for the assessment of the leaching behaviour of construction products is based on: (1) characterisation leaching tests at lab scale, following the horizontal standardised assessment methods for harmonised approaches relating to dangerous substances under the Construction Products Regulation (CPR), (2) modelling and simulation of coupled chemical and transport phenomena at lab and field scale, and (3) utilisation of simulated leaching data for the construction products exposed in natural condition with the LCA method for the characterization of the hazardous effect during the use stage. The proposed methodology was applied and validated on three different classical construction products i.e. CBA (Copper-Boron-Azole) treated wood, fibre-cement sheets and bitumen membranes. The leaching behaviour of CBA treated wood and fibre-cement sheets was simulated over several years under natural exposure conditions, using the geochemical software PHREEQC. The chemical models consider both the mineral and the organic matrixes and their interaction with treatmentcompounds. Mass transfer and transport phenomena were modelled. The developed coupled chemical-transport models are able to represent the dynamic leaching behaviour of the respective products in various leaching conditions. For bitumen membranes only experimental characterisation was possible. The leaching data obtained by simulation over the whole use stage of the products were integrated in the life cycle inventory (LCI) and the relevant life cycle impact assessment (LCIA) methods were applied with the enriched inventory. A simplified single-family house was modelled using a software designed to evaluate the intrinsic environmental performances of a building over its entire life cycle. ELODIE software was used in this work. The building scale assessment methodology is based on coupling the methodology developed for the product scale with the Life Cycle Assessment (LCA) at building scale. This methodology allows a proper integration of leaching data in LCA tools and answers several technical questions raised in the field

L’enjeu actuel autour de la gestion des MIDND est de valoriser, dans la mesure du possible, les mâchefers sur les chantiers routiers à maîtrise d’ouvrage publique ou privée, tout en tenant compte de la réglementation en vigueur et en réalisant un suivi rigoureux dès l’élaboration jusqu’à leur mise en place. Un des freins de la valorisation des MIDND est relatif aux critères de qualité de plus en plus contraignants. Parmi les polluants potentiels qui peuvent entrainer des restrictions environnementales d’utilisation, les éléments trace métalliques (ETM), dont le comportement en fonction des paramètres que sont la maturation et la granulométrie reste peu connu, sont des plus préoccupants. Dans cette thèse, l’approche développée a permis de définir les conditions favorables au relargage des ETM suivants : Cu, Cr, Pb, Sb, Ni et Zn. La démarche scientifique s’articule autour de trois grands axes : Le premier axe concerne le développement d’une méthode de caractérisation pertinente des MIDND (notamment de la fraction organique et de la fraction minérale polluante) afin de pouvoir mieux juger de leurs qualités. La matrice initiale d’étude prélevée sur un site industriel ainsi que ses fractions granulométriques, ont été finement analysée, tant d’un point de vue physico-chimique qu’en ce qui concerne leur comportement environnemental. La modélisation géochimique basée sur ces données physicochimiques et de lixiviation permet d’identifier des phases majoritaires et de simuler le comportement du matériau dans la perspective de prévoir l’évolution du MIDND en conditions spécifiques de stockage ou de valorisation. Le deuxième axe décrit l’impact des conditions de maturation, et du fractionnement granulométrique sur l’évolution de la qualité des MIDND. Trois différentes conditions de maturation (naturelle sur plate-forme; accélérée sur petit tas; forcée) ont été étudiées. Les résultats montrent que les changements dans la composition chimique et minéralogique des MIDND étudiés et de leurs fractions granulométriques sont plus significatifs lorsque la maturation progresse. La maturation naturelle accélérée et la carbonatation forcée limite la lixiviation du Cu, du Pb et du Zn. Au contraire, la lixiviation du Cr, de Sb, des Cl- et des SO42- augmente lorsque le pH diminue. Le troisième axe est dédié à l’étude de l’utilisation des MIDND comme matière première secondaire dans un scénario de valorisation alternatif aux utilisations en sous-couches routières classiquement pratiquées. Le scénario consiste à incorporer les MIDND dans un coulis auto-compactant utilisable pour l’élargissement de chaussées ou le comblement de fossés. Une formulation a pu être définie. La conformité des performances mécaniques, géotechniques et environnementales aux spécifications d’usage normalisées, est encourageante pour les potentiels utilisateurs des MIDND en technique routière
Current challenge of Municipal Solid waste Incineration (MSWI) bottom ash management lays in its valorization, mainly to be used in road construction projects. The process must take into account environmental regulations and conduct rigorous monitoring from production to utilization. One constraint in the assessment of MSWI bottom ash is related to quality criteria which is becoming more restrictive. Among potential pollutants that can cause environmental use restrictions are metal trace elements (MTE), whose behavior based on weathering and grain size is not yet well known and represent one of greatest concern. In this thesis, the developed research approach defined the favorable conditions for Cu, Cr, Pb, Sb, Ni and Zn release. The aforementioned approach is based on three pillars: The first pillar focuses on the development of a pertinent characterization method for bottom ash (including the polluting organic and mineral fraction) aiming at a better assessment of its properties. The initial study matrix, taken from an industrial site, was carefully analyzed from both, physico-chemical and environmental performances. Geochemical modeling based on physico-chemical and leaching data, allowed to identify the main mineral phases and to simulate material behavior with the purpose of predicting the evolution of MSWI bottom ash in specific storage or valorization conditions. The second pillar describes the impact of weathering conditions and size partitioning on MSWI bottom ash quality evolution. Three different weathering conditions (natural on industrial scale heap; accelerated on small heap; and forced) were studied. The results showed that changes in the chemical and mineralogical composition of MSWI bottom ash as well as in its size fractions are more significant when the weathering proceed. The natural accelerated weathering and the forced carbonation limited the leaching of Cu, Pb and Zn, whereas, the leaching of Cr, Sb, Cl and the SO42- increased as pH decreased. The third pillar focuses on the study of MSWI bottom ash alternative utilization as secondary raw material for the typically practiced road sub-layers construction. It consisted of incorporating MSWI bottom ash in a self-compacting material used for pavement sub-layer or coated road shoulders structures. A formulated material was obtained by mixing MSWI bottom ash, water and cement as a hydraulic binder. The results of the mechanical, geotechnical and environmental assessment are promising for MISWI bottom ash potential use in road construction

L’objectif de la thèse est de comprendre le comportement géochimique de l’arsenic dans les remblais miniers en pâte cimentés. Cette technique est employée depuis plusieurs années pour remblayer les galeries de mine exploitées à l’aide des rejets de concentrateurs. Pour cette étude, deux types de remblais sont élaborés en laboratoire : des échantillons de remblai minier en pâte synthétiques, fabriqués à partir de silice et enrichis artificiellement en arsenic, et des remblais miniers en pâte élaborés à partir de rejets miniers arséniés. Dans les deux cas, différents liants cimentaires sont testés. Plusieurs types d’investigations sont menés sur les échantillons de remblai en pâte cimentés. Une caractérisation minéralogique est effectuée à l’aide de divers outils. En parallèle, les échantillons de remblais sont soumis à différents tests de lixiviation complémentaires, afin d’évaluer la mobilité/rétention de l’arsenic dans ces matrices. Enfin, une modélisation géochimique est mise en œuvre à partir des résultats issus des deux études précédentes, afin d’affiner les connaissances sur la nature et la stabilité des composés arséniés dans les remblais étudiés. Les résultats obtenus indiquent que l’arsenic est mieux stabilisé dans les matrices à base de ciment Portland et de laitier de haut-fourneau que dans les remblais à base de cendres volantes. Le comportement à la lixiviation variable d’une matrice à l’autre s’explique par des spéciations et des mécanismes de piégeage de l’arsenic variés. L’arsenic peut précipiter sous forme de minéraux arséniés, principalement sous forme d’arséniates de calcium, mais aussi de divers autres composés secondaires variables d’une matrice à l’autre. Un piégeage physique des grains de rejets miniers arséniés par les hydrates cimentaires peut aussi avoir lieu, par formation d’un revêtement limitant l’oxydation des sulfures porteurs d’arsenic. Tous ces mécanismes interviennent dans la stabilisation/solidification de l’arsenic
The objective of this study is to understand the geochemical behaviour of arsenic in cemented paste backfills. This technique consists in transporting the tailings in the mine openings. Two types of backfills are prepared in the laboratory for this study. First, synthetic cemented paste backfills artificially spiked with arsenic are synthesized, using silica in replacement of the tailings. In parallel, other cemented paste backfill specimens are prepared with arsenic-rich tailings. In the two cases, various types of hydraulic binders are tested. Several types of investigations are conducted on the cemented paste backfill specimens. A mineralogical characterization is carried out with the help of specific tools. At the same time, cemented paste backfill samples are submitted to several complementary leaching tests, to assess the mobility/immobilization potential of arsenic in these matrices. Finally, geochemical modeling is implemented, based on the results of the two previous studies, in order to refine the understanding of the nature and stability of the arsenic compounds. The results show that arsenic is better immobilized in Portland cement and slag-based matrices, rather than in fly ash-based matrices. The variable leaching behaviour from a given matrix to another is due to different arsenic trapping mechanisms. Arsenic can precipitate and form several arsenic minerals, mainly calcium arsenates, but also various other secondary compounds, which are different from a matrix to another. Physical entrapment of the tailings grains by the cementitious minerals can also occur, by formation of a coating around the grains, limiting the oxidation and dissolution of arsenic-bearing sulfides (passivation). These mechanisms are involved in the stabilization/solidification of arsenic by cemented paste backfills

L’enjeu actuel autour de la gestion des MIDND est de valoriser, dans la mesure du possible, les mâchefers sur les chantiers routiers à maîtrise d’ouvrage publique ou privée, tout en tenant compte de la réglementation en vigueur et en réalisant un suivi rigoureux dès l’élaboration jusqu’à leur mise en place. Un des freins de la valorisation des MIDND est relatif aux critères de qualité de plus en plus contraignants. Parmi les polluants potentiels qui peuvent entrainer des restrictions environnementales d’utilisation, les éléments trace métalliques (ETM), dont le comportement en fonction des paramètres que sont la maturation et la granulométrie reste peu connu, sont des plus préoccupants. Dans cette thèse, l’approche développée a permis de définir les conditions favorables au relargage des ETM suivants : Cu, Cr, Pb, Sb, Ni et Zn. La démarche scientifique s’articule autour de trois grands axes : Le premier axe concerne le développement d’une méthode de caractérisation pertinente des MIDND (notamment de la fraction organique et de la fraction minérale polluante) afin de pouvoir mieux juger de leurs qualités. La matrice initiale d’étude prélevée sur un site industriel ainsi que ses fractions granulométriques, ont été finement analysée, tant d’un point de vue physico-chimique qu’en ce qui concerne leur comportement environnemental. La modélisation géochimique basée sur ces données physicochimiques et de lixiviation permet d’identifier des phases majoritaires et de simuler le comportement du matériau dans la perspective de prévoir l’évolution du MIDND en conditions spécifiques de stockage ou de valorisation. Le deuxième axe décrit l’impact des conditions de maturation, et du fractionnement granulométrique sur l’évolution de la qualité des MIDND. Trois différentes conditions de maturation (naturelle sur plate-forme; accélérée sur petit tas; forcée) ont été étudiées. Les résultats montrent que les changements dans la composition chimique et minéralogique des MIDND étudiés et de leurs fractions granulométriques sont plus significatifs lorsque la maturation progresse. La maturation naturelle accélérée et la carbonatation forcée limite la lixiviation du Cu, du Pb et du Zn. Au contraire, la lixiviation du Cr, de Sb, des Cl- et des SO42- augmente lorsque le pH diminue. Le troisième axe est dédié à l’étude de l’utilisation des MIDND comme matière première secondaire dans un scénario de valorisation alternatif aux utilisations en sous-couches routières classiquement pratiquées. Le scénario consiste à incorporer les MIDND dans un coulis auto-compactant utilisable pour l’élargissement de chaussées ou le comblement de fossés. Une formulation a pu être définie. La conformité des performances mécaniques, géotechniques et environnementales aux spécifications d’usage normalisées, est encourageante pour les potentiels utilisateurs des MIDND en technique routière
Current challenge of Municipal Solid waste Incineration (MSWI) bottom ash management lays in its valorization, mainly to be used in road construction projects. The process must take into account environmental regulations and conduct rigorous monitoring from production to utilization. One constraint in the assessment of MSWI bottom ash is related to quality criteria which is becoming more restrictive. Among potential pollutants that can cause environmental use restrictions are metal trace elements (MTE), whose behavior based on weathering and grain size is not yet well known and represent one of greatest concern. In this thesis, the developed research approach defined the favorable conditions for Cu, Cr, Pb, Sb, Ni and Zn release. The aforementioned approach is based on three pillars: The first pillar focuses on the development of a pertinent characterization method for bottom ash (including the polluting organic and mineral fraction) aiming at a better assessment of its properties. The initial study matrix, taken from an industrial site, was carefully analyzed from both, physico-chemical and environmental performances. Geochemical modeling based on physico-chemical and leaching data, allowed to identify the main mineral phases and to simulate material behavior with the purpose of predicting the evolution of MSWI bottom ash in specific storage or valorization conditions. The second pillar describes the impact of weathering conditions and size partitioning on MSWI bottom ash quality evolution. Three different weathering conditions (natural on industrial scale heap; accelerated on small heap; and forced) were studied. The results showed that changes in the chemical and mineralogical composition of MSWI bottom ash as well as in its size fractions are more significant when the weathering proceed. The natural accelerated weathering and the forced carbonation limited the leaching of Cu, Pb and Zn, whereas, the leaching of Cr, Sb, Cl and the SO42- increased as pH decreased. The third pillar focuses on the study of MSWI bottom ash alternative utilization as secondary raw material for the typically practiced road sub-layers construction. It consisted of incorporating MSWI bottom ash in a self-compacting material used for pavement sub-layer or coated road shoulders structures. A formulated material was obtained by mixing MSWI bottom ash, water and cement as a hydraulic binder. The results of the mechanical, geotechnical and environmental assessment are promising for MISWI bottom ash potential use in road construction