Etude des procédés de stabilisation solidification des déchets solides poreux à base de liants hydrauliques

Sing-Ténière, Christelle

Informations

• Publié par: Dihom
• Nombre de lectures: 215
• Langue: Français

Extrait

:

Chapitre 4   Traitement des déchets poreux

par un liant bitumineux

La littérature sur ce sujet est peu abondante, les applications sur des déchets industriels spéciaux sont rares. Il n’existe pas réellement de procédé ou de produits de référence et encore moins de tests d’évaluation adaptés à des déchets ainsi traités. Il s’agit donc non pas d’évaluer un procédé, préalablement élaboré, de traitement des déchets par un liant bitumineux mais de définir les paramètres essentiels d’un tel procédé. La première partie de ce chapitre est consacrée à cette définition. La caractérisation des déchets traités permet ensuite d’évaluer l’impact des variations des paramètres de traitement en terme de solidification et de stabilisation. L’ensemble du travail conduit à exposer les perspectives des liants bitumineux utilisés dans un procédé de stabilisation/solidification de déchets poreux. Finalement, une analyse des tests de caractérisation pratiqués et une comparaison de leur résultats avec les prévisions émises à partir des caractéristiques des déchets bruts permet de proposer des éléments d’aide au choix du procédé de stabilisation/ solidification à adopter en fonction du déchet.

4.1 DEFINITION DES PARAMETRES D’UN PROCEDE DE TRAITEMENT

4.1.1   OBJECTIFS DU TRAITEMENT Les objectifs qui sous-tendent la définition du traitement résident dans l’obtention de déchets solides, homogènes et durables qui satisfont les exigences réglementaires d’acceptation en centre de stockage des déchets ultimes et stabilisés. Il s’agit donc d’étudier un traitement mettant en œuvre un liant bitumineux dans les proportions les plus faibles possibles (pour réduire l’effet de dilution du déchet et le coût du traitement) de telle sorte que les transferts hors du déchet traité de la fraction polluante issue du déchet brut soient minimisés. 4.1.2   EBAUCHE DE FORMULATION D’UN PROCEDE Cette détermination a été effectuée conjointement sur les deux déchets étudiés, le catalyseur usé et le déchet de charbon actif. Chaque étape de la détermination correspond à l’étude d’un paramètre qui paraissait influant sur la qualité du déchet traité, suite à l’étude bibliographique et les premiers essais de traitement. Le choix des gammes de valeurs à étudier de manière plus approfondie pour chacun des paramètres s’appuie sur la possibilité dans un premier temps de mettre en œuvre et dans un second temps d’obtenir un déchet traité homogène et solide.

163

4.1.2.1 T YPE DE LIANT BITUMINEUX

Les liants considérés sont des bitumes de distillation, courants et peu onéreux (bitumes routiers). Les essais ont porté sur trois bitumes de même origine mais de pénétrabilités différentes, 70/100, 35/50 et 10/20. Ces bitumes à différentes températures sont mélangés aux déchets dans différentes proportions liant/déchet. Dans tous les cas, les mélanges réalisés à l’aide du bitume le plus mou, 70/100, n’aboutissent pas à des déchets solides. Les liants utilisés par la suite sont lebitume 35/50ou lebitume 10/20.

4.1.2.2 T EMPERATURE

Les températures d’utilisation conseillées pour les bitumes 35/50 et 10/20 sont comprises entre 120°C (température minimale de pompage du 35/50) et 200°C (température d’enrobage du 10/20). Les essais de mélange ont été réalisés avec les bitumes portés à des températures intermédiaires entre ces deux valeurs. En deçà de 140°C, le mélange est difficile et les déchets obtenus ne sont pas homogènes. Au delà, plus la température est élevée, plus la mise en œuvre est aisée. Le coût énergétique du traitement augmente alors, et la possibilité de volatiliser des éléments des déchets devient plus probable. Le compromis entre la facilité de mise en œuvre et les éventuelles nuisances dues à la volatilisation de matière conduit à porter les bitumes et à traiter les déchets à des températures comprisesentre 160 et 180°C.

4.1.2.3 R APPORT LIANT / DECHET

Les déchets sont mélangés aux bitumes choisis, aux températures retenues. Les rapports liant/déchet testés sont compris entre 0,6 et 3,4 pour le catalyseur usé et entre 0,5 et 2,3 pour le déchet de charbon actif. Pour les faibles rapports, la mise en œuvre est difficile, une partie du déchet brut n’est pas enrobée, le déchet traité obtenu n’est pas homogène. Pour les rapports élevés, par contre, le bitume en excès s’épanche, les échantillons de déchet traité fluent. Les rapports liant/déchet préconisés pour palier ces deux inconvénients sont compris entre 0,7 et 1,4 pour le catalyseur uséetentre 0,5 et 1,5 pour le déchet de charbon actif.

164

4.1.2.4 T EMPS DE SEJOUR EN TEMPERATURE La température imposée au bitume permet de le fluidifier et de rendre possible le mélange avec le déchet. A la température ambiante, le bitume du déchet traité redevient très rapidement visqueux, les vides et les pores du déchet brut restent emplis d’air. Par contre, aux températures d’application du bitume, ce dernier reste fluide et peut pénétrer dans les vides du déchet brut. Des temps de séjour du déchet traité aux températures retenues compris entre cinq minutes et trois heures ont été testés. La pénétration du bitume dans le déchet poreux semble dépendre du bitume utilisé, de la température d’application et du déchet considéré, les tests préliminaires menés ne permettent pas de sélectionner une valeur ou une gamme de valeurs.

4.2 ESSAIS DE TRAITEMENT PAR UN LIANT BITUMINEUX ET CARACTERISATION DES DECHETS TRAITES Le paragraphe précédent n’établit pas la formule d’un procédé mais propose des plages de variation de valeurs pour des critères essentiels d’un traitement de déchet poreux par un liant bitumineux. La caractérisation des déchets ainsi traités est destinée à déduire et évaluer les propriétés d’un liant bitumineux en tant que matrice de stabilisation/solidification. Il est à noter que tous les échantillons de déchet traité testés sont moulés. La nature du bitume ne permet pas d’effectuer un prélèvement de manière reproductible au cœur d’un bloc. 4.2.1   CARACTERISATION DU CATALYSEUR USE TRAITE

4.2.1.1 C ARACTERISATION PHYSICO - CHIMIQUE 4.2.1.1.1   Fluage Le bitume étant viscoélastique, au sein du déchet traité, il est susceptible de s’épancher. Il est donc nécessaire de vérifier la tenue de ce déchet dans le temps, et notamment sa déformation. Trois échantillons contenant du bitume 35/50 et trois échantillons du bitume 10/20 sont préparés avec un rapport liant/catalyseur usé de 1,2 (catalyseur usé G) et un temps de séjour de 2h à 160°C (échantillons cylindriques de diamètre 5cm d’environ 300 cm 3 )). Ils sont démoulés et exposés à l’air ambiant. Ils sont ensuite soumis à une observation à l’œil nu de la modification de leur macrostructure pendant quatre mois.

165

Les échantillons contenant du bitume 35/50 manifestent les premiers signes de fluage après 3 jours, et sont complètement affaissés après 6 semaines. La forme des échantillons contenant du 10/20 est identique après les quatre mois. De la même façon, quatre échantillons d’environ 1000 cm 3  (rapport liant/catalyseur usé de 1,1 et temps de séjour de 3h à 180°C), deux contenant du bitume 35/50 et deux du 10/20, sont observés pendant 18 mois. Les premières manifestations visibles de fluage ont lieu au bout de 1 mois pour le déchet traité par du 35/50 et de 9 mois pour le déchet traité par du 10/20. Après 6 mois le premier est complètement affaissé alors que le second n’a quasiment plus évolué entre 6 et 18 mois.

Unbitume de faible pénétrabilité permet d’obtenir des échantillons de 10/20 catalyseur usé traité solide et durablealors qu’unbitume de pénétrabilité moyenne35/50 conduit à des échantillons decatalyseur usé traité fluantaprès quelques jours ou semaines.

4.2.1.1.2 bitume dans les pores du déchetPénétration du D’après les essais préliminaires, le bitume peut pénétrer dans les pores et vides du catalyseur usé. Pour un bitume (le 10/20 permettant d’obtenir un déchet solide et durable) et une température (160°C) donnés, l’influence du temps de séjour du mélange en température sur la pénétration du bitume dans le déchet poreux est étudiée. Des anneaux entiers de catalyseur usé G sont disposés verticalement dans des moules (une centaine d’anneaux par moule). Du bitume 10/20 porté à 160°C est versé dans les moules à raison d’un rapport liant/déchet de 2,0 permettant d’immerger complètement les anneaux. Le temps de séjour en température des ensembles anneaux et bitume varie entre 5 minutes et 3 heures. Une fois refroidis, les échantillons sont démoulés et sectionnés en deux tranches. Pour chacun des échantillons, une tranche est observée à l’aide d’un microscope optique et les zones des anneaux de catalyseur usé imprégnées de bitume sont mesurées. L’observation à l’œil nu des tranches montre que le bitume pénètre par les deux bords, intérieur et extérieur, de chaque anneau. Pour les temps de séjour croissants, la largeur de la zone des anneaux imprégnée de bitume augmente. Les mesures sont faiblement dispersées entre les anneaux d’un même échantillon. Elles indiquent que la vitesse de pénétration du bitume est identique par l’un ou l’autre bord des anneaux.

166

15 12 9 bord 6 intérieur bord 3 extérieur 0 0 60 120 180 Temps de séjour à 160°C en minutes Figure 59. - Cinétique de la pénétration du bitume dans le catalyseur usé Les figures 59 et 60 illustrent la pénétration du bitume dans les vides et pores du catalyseur usé en fonction du temps de séjour de l’échantillon en température. La courbe de la figure 59 présente un palier après une centaine de minutes : les anneaux sont complètement imprégnés de bitume. a)

c)

b)

d)

Figure 60. - Pénétration du bitume dans les anneaux de catalyseur usé en fonction du temps de séjour de l’échantillon en température (a:5min, b:15min, c:40min et d:2h) Pour un bitume et une température donnés,l’augmentation du temps de séjouren température du déchet traité permet unemeilleure pénétration du bitume dans le catalyseur usé. A 160°C, une centaine de minutes est nécessaire pour imprégner complètement les anneaux de catalyseur usé (G) de bitume 10/20.

167

4.2.1.2 C ARACTERISATION STRUCTURALE 4.2.1.2.1   Masse volumique apparente La masse volumique apparente du catalyseur usé traité est déterminée par pesée d’échantillons de volume connu. Les échantillons sont constitués de catalyseur usé G ou B mélangés à du bitume 10/20 à 160°C selon différentes conditions de rapport liant/déchet et de temps de séjour. Les résultats moyens de densité apparente sont illustrés par les figures 61. A Catal seur usé G traité avec du bitume 10/20 à 160°C

1,4 1,3 densité apparente 1,2 1,1 240 300 1 120  180 1 1,1  1,3 30 temps de séjour en minutes rapport liant/déchet B) Catalyseur usé B traité avec du bitume 10/20 à 160°C

1,4 1,3 densité apparente 1,2 1,1 1 180 0,7 1,1  30 temps de séjour en minutes rapport liant/déchet   Figure 61. - Densité apparente du catalyseur usé traité par un bitume dans différentes conditions Pour un temps de séjour constant, la densité du catalyseur usé traité dépend du rapport liant/déchet.

168

Catalyseur usé G traité par du 10/20 à 160°C: Pour un rapport liant/déchet constant, la densité en fonction du temps de séjour augmente et devient constante au delà de 2 heures. Pour chacun des rapports liant/déchet testés, le calcul de la densité qu’aurait un échantillon dans lequel le bitume occuperait la totalité du volume poreux du déchet fournit des résultats quasiment identiques aux résultats expérimentaux au delà de 2 heures. Le résultat du calcul, bien qu’approximatif, est cohérent avec les conclusions du test de pénétration du bitume dans le déchet. Les pores du catalyseur usé G traité par un bitume 10/20 à 160°C sont donc complètement imprégnés de bitume pour un temps de séjour égal ou supérieur à 2 heures. Catalyseur usé B traité par du 10/20 à 160°C: Pour les deux rapports liant/déchet testés, la densité en fonction du temps de séjour est constante dès 30 minutes. Le calcul de la densité qu’aurait un échantillon dans lequel le bitume occuperait la totalité du volume poreux du déchet fournit des résultats quasiment identiques aux résultats expérimentaux dès 30 minutes. Les pores du catalyseur usé B traité par un bitume 10/20 à 160°C semblent donc complètement imprégnés de bitume pour un temps de séjour égal ou supérieur à 30 minutes.

Les résultats de densité apparente du catalyseur usé traité par un bitume 10/20à 160°C semblent indiquer que lebitume occupe tout le volume poreux du catalyseur usé pour un temps de séjour en température égal ou supérieur à 2 heures lorsque la répartition granulométrique du déchet estG,et30 minuteslorsque la répartition estB.

4.2.1.2.2 Microstructure L’observation microscopique du déchet traité permet de déterminer sa morphologie, notamment sa porosité, et la microstructure de l’interface déchet-liant. Les observations et les analyses sont réalisées à l’aide du microscope électronique à balayage couplé à l’analyseur X déjà évoqués lors de la caractérisation expérimentale du déchet brut (cf. § 2.1.3.4.). Six fragments des échantillons testés en pénétration du bitume dans le déchet ont été métallisés à l’or, trois ayant séjourné en température pendant 5 minutes et trois pendant 3 heures. Les observations au microscope électronique sont pratiquées à des facteurs de grossissement de 20 à 10 000.

169

Pour un même temps de séjour, les échantillons présentent la même morphologie. Les particules de catalyseur usé traité sont séparées par des zones d’aspect lisse de bitume (figure 62).

a)

b)

Figure 62. - Morphologie du catalyseur usé traité par un bitume (a et b : x 22 ; a : t=5min, b : t=3h) Les spectres obtenus en diffraction X montrent la présence des éléments suivants : C, O, Na, Si, S, K, V. Ce résultat est cohérent avec la composition du déchet et du bitume. Les observations aux grossissements 1 000 à 10 000 montrent que la porosité du déchet traité est uniquement due à la porosité du catalyseur usé. Les zones de bitume au sein du déchet traité ne présentent aucune aspérité et surtout aucune porosité apparente (figure 62). Pour les échantillons ayant séjourné 5 minutes en température, l’épaisseur de la zone des anneaux de catalyseur imprégnée de bitume est faible : la porosité apparente reste importante (figure 62a). Par contre pour les échantillons ayant séjourné 3 heures, les anneaux de catalyseur usé sont complètement imprégnés de bitume : la porosité apparente est beaucoup plus faible (figure 62b). Les observations au microscope électronique à fort grossissement confirment les observations au microscope optique. En ce qui concerne l’interface catalyseur usé-bitume, la surface de contact entre les deux matériaux est d’autant plus grande que le temps de séjour de l’échantillon en température est long. Une analyse, suivie d’une cartographie de cette zone, montre le front de pénétration du bitume dans le catalyseur usé. b) a)

Figure 63. – Photographie (a : x 200) et cartographie (Si) du catalyseur usé traité par un bitume

170

Pour les échantillons correspondant à un temps de séjour de 5 minutes, les cartographies de la phase riche en silicium (le catalyseur usé) révèlent une zone sombre constituée de bitume, une zone claire constituée du catalyseur usé et une zone intermédiaire (figure 63b). Cette dernière correspond d’après la photographie à la zone du déchet imprégnée de bitume (figure 63a). Les observations à très fort grossissement révèlent la présence de bitume sur toute la surface de cette zone. La détection du silicium dans la zone intermédiaire témoigne alors de la faible épaisseur du bitume imprégné dans le déchet (figure 63b). L’analyseur détecte les éléments de la couche superficielle d'épaisseur 10nm. L’épaisseur du bitume au sein du catalyseur usé traité pendant un temps de séjour de 5 minutes est donc par endroits inférieure à cette valeur. Pour les échantillons correspondant à un temps de séjour de 3 heures, du silicium est détecté dans le déchet totalement imprégné. L’épaisseur du bitume au sein du catalyseur usé traité pendant un temps de séjour de 3 heures est également en de nombreux endroits inférieure à 10nm.

L’analyse X du catalyseur usé traité par un bitume confirmela présencedes éléments majoritaires dans la composition des deux matériaux.Les observations au microscope électroniqueindiquent le fait quedu déchet traité dépend du degréla porosité d’imprégnation du catalyseur usé par le bitume. Les cartographies du silicium révèlent   la faible épaisseur de bitume au sein du catalyseur usé (inférieure à 10nm par endroits), quel que soit le temps de séjour en température du catalyseur usé traité.

4.2.1.2.3 Capacité d’absorption en eau Le principe de cette détermination est identique à celui de la capacité d’absorption en eau sur les déchets traités par un ciment. En pratique, le test est effectué sur des échantillons de catalyseur usé G ou B mélangé à du bitume 10/20 à 160°C selon des conditions de rapport liant/déchet et de temps de séjour différentes. Les échantillons démoulés (environ 1000cm 3 ) sont immergés dans de l’eau déminéralisée dans un récipient fermé, sans renouvellement de la solution, avec un rapport massique liquide/solide de 5, pendant une période allant jusqu'à 4 semaines. Au cours de la période d’immersion, les échantillons sont régulièrement pesés après égouttage.

171

La capacité d’absorption en eau du déchet traité est déterminée de la même manière que pour le déchet brut. Les résultats moyens (sur trois échantillons du même type) sont illustrés par les figures 64. A)   Catalyseur usé G traité avec du bitume 10/20 à 160°C, de rapport liant/déchet 1,0 et de temps de séjour t 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Tem ps en m inute B) Catalyseur usé B traité avec du bitume 10/20 à 160°C, de rapport liant/déchet l/d et de temps de séjour t 2

1,5 1 0,5

t=30min t=2h t=3h

l/d=0,7 t=30min l/d=1,1 t=30min l/d=0,7 t=3h l/d=1,1 t=3h

0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Tem ps en m inute Figure 64. - Cinétique de l’absorption en eau du catalyseur usé traité par un bitume

La quantité d’eau absorbée par tous les échantillons augmente pendant la période de test mais l’absence de points de mesure entre 5 000 et 35 000 minutes ne permet pas de savoir si l’absorption continue ou si elle a atteint un seuil.

172