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

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SOMMAIREINTRODUCTION GENERALE.......................................................................................17CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LA STABILISATION/SOLIDIFICATION DE DECHETS POREUX PAR DES LIANTSHYDRAULIQUES OU BITUMINEUX ..........................................................................191.1 CADRE LEGAL ET RÈGLEMENTAIRE DE LA STABILISATION/SOLIDIFICATION DES DÉCHETS .........................................................................................211.1.1 Déchets à stabiliser/solidifier .....................................................................................211.1.2 Objectifs de la stabilisation/solidification des déchets ...............................................221.1.3 Caractérisation des déchets stabilisés/solidifiés ........................................................231.1.3.1 Tests réglementaires.....................................................................................................231.1.3.2 Etude approfondie.......................................................................................................231.1.4 Conclusion..................................................................................................................241.2 PREMIER CAS DE DECHET POREUX : UN CATALYSEUR USÉ ..............................251.2.1 Généralités sur les catalyseurs et leur usur ..............................................................e 251.2.1.1 Catalyseurs solides25................... ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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11
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE
.......................................................................................17
CHAPITRE
1
:
GENERALITES
SUR
LA
STABILISATION/
SOLIDIFICATION
DE
DECHETS
POREUX
PAR
DES
LIANTS
HYDRAULIQUES OU BITUMINEUX
..........................................................................19
1.1 CADRE
LEGAL
ET
RÈGLEMENTAIRE
DE
LA
STABILISATION/
SOLIDIFICATION DES DÉCHETS
.........................................................................................21
1.1.1
Déchets à stabiliser/solidifier
.....................................................................................21
1.1.2
Objectifs de la stabilisation/solidification des déchets
...............................................22
1.1.3
Caractérisation des déchets stabilisés/solidifiés
........................................................23
1.1.3.1 Tests réglementaires
.....................................................................................................23
1.1.3.2 Etude approfondie
.......................................................................................................23
1.1.4
Conclusion
..................................................................................................................24
1.2 PREMIER CAS DE DECHET POREUX : UN CATALYSEUR USÉ
..............................25
1.2.1
Généralités sur les catalyseurs et leur usure
..............................................................25
1.2.1.1 Catalyseurs solides
.......................................................................................................25
1.2.1.2 Des catalyseurs solides aux catalyseurs solides usés
...........................................................26
1.2.1.3 Voies de traitement des catalyseurs solides usés
.................................................................27
1.2.2
Catalyseur usé étudié
..................................................................................................27
1.2.2.1 Catalyseur étudié en service
...........................................................................................28
1.2.2.2 Du catalyseur en service au catalyseur usé
........................................................................28
1.2.2.3 Voies de traitement actuelles
..........................................................................................29
1.2.3
Conclusion
..................................................................................................................30
1.3 SECOND CAS DE DECHET POREUX : UN CHARBON ACTIF
..................................31
1.3.1
Généralités sur les charbons actifs et leur usure
.......................................................31
1.3.1.1 Charbons actifs
...........................................................................................................31
1.3.1.2 Déchets de charbons actifs
.............................................................................................32
1.3.2
Déchet de charbon actif étudié
...................................................................................33
1.3.2.1 Charbon actif étudié en service
.......................................................................................33
1.3.2.2 Du charbon actif au déchet de charbon actif
......................................................................34
1.3.2.3 Voies de traitement
......................................................................................................34
1.3.3
Conclusion
..................................................................................................................34
1.4 STABILISATION/SOLIDIFICATION PAR DES LIANTS HYDRAULIQUES
............35
1.4.1
Liants hydrauliques
....................................................................................................35
1.4.1.1 Origine des ciments
......................................................................................................35
1.4.1.2 Hydratation du ciment portland
......................................................................................36
1.4.1.3 Caractéristiques de la matrice de ciment hydraté
................................................................37
1.4.1.3.1
Caractéristiques physiques de la matrice ciment
...............................................................37
1.4.1.3.2
Mécanismes de rétention d’éléments exogènes
................................................................38
12
1.4.2
Bétons
.........................................................................................................................39
1.4.2.1 Fabrication
.................................................................................................................40
1.4.2.1.1
Recherche de la composition et du dosage
......................................................................40
1.4.2.1.2
Mélange et mise en oeuvre
.........................................................................................41
1.4.2.2 Propriétés des betons
....................................................................................................42
1.4.2.3 Bétons légers
..............................................................................................................43
1.4.2.3.1
Caractéristiques des granulats légers
............................................................................43
1.4.2.3.2
Fabrication des bétons de granulats légers
......................................................................45
1.4.2.3.3
Caractéristiques des bétons de granulats légers
................................................................46
1.4.3
Déchets stabilisés/solidifiés par des liants hydrauliques
...........................................47
1.4.3.1 Traitement de stabilisation/solidification
..........................................................................47
1.4.3.2 Caractérisation des déchets stabilisés/solidifiés
..................................................................47
1.4.4
Conclusion
..................................................................................................................48
1.5 PROCEDES
DE
STABILISATION/SOLIDIFICATION
PAR
DES
LIANTS
BITUMINEUX
..............................................................................................................................50
1.5.1
Liants bitumineux
.......................................................................................................50
1.5.1.1 Origine et composition
..................................................................................................50
1.5.1.2 Propriétés
...................................................................................................................53
1.5.1.2.1
Propriétés physiques et rhéologiques
............................................................................53
1.5.1.2.2
Réactivité et vieillissement
........................................................................................55
1.5.2
Enrobés bitumineux
....................................................................................................58
1.5.2.1 Fabrication
.................................................................................................................58
1.5.2.2 Caractéristiques
...........................................................................................................59
1.5.2.2.1
Liaison bitume-agrégat
............................................................................................59
1.5.2.2.2
Structure des enrobés bitumineux
................................................................................60
1.5.2.2.3
Influence de l’eau sur les caractéristiques des enrobés bitumineux
.........................................61
1.5.3
Dechets stabilisés/solidifiés par des liants bitumineux
..............................................63
1.5.3.1 Traitement de stabilisation/solidification
..........................................................................63
1.5.3.2 Caractérisation des déchets stabilisés/solidifiés
..................................................................64
1.5.4
Conclusion
..................................................................................................................64
1.6 CONCLUSION
.......................................................................................................................65
CHAPITRE 2 : CARACTERISATION
EXPERIMENTALE DES DECHETS
POREUX BRUTS
....................................................................................................................67
2.1 MÉTHODES DE CARACTÉRISATION
............................................................................69
2.1.1
Echantillonnage
..........................................................................................................69
2.1.1.1 Echantillonnage
...........................................................................................................69
2.1.1.2 Broyage
.....................................................................................................................69
2.1.2
Caractérisation physico-chimique
..............................................................................70
2.1.2.1 Analyse élémentaire
.....................................................................................................70
2.1.2.2 Répartition granulométrique
..........................................................................................70
2.1.2.3 Siccité
.......................................................................................................................70
2.1.3
Caractérisation structurale
........................................................................................71
2.1.3.1 Densités apparente et réelle
...........................................................................................71
2.1.3.2 Surface spécifique
........................................................................................................71
2.1.3.3 Porosité
.....................................................................................................................72
13
2.1.3.4 Microstructure
............................................................................................................72
2.1.3.5 Capacité d’absorption en eau
.........................................................................................73
2.1.4
Comportement à la lixiviation
....................................................................................74
2.1.4.1 Solubilisation en fonction du pH
.....................................................................................74
2.1.4.2 Lixiviations
................................................................................................................75
2.2 CARACTÉRISATION DU CATALYSEUR USÉ
...............................................................76
2.2.1
Echantillonnage
..........................................................................................................77
2.2.1.1 Echantillonnage sur site
................................................................................................77
2.2.1.2 Broyage
.....................................................................................................................77
2.2.2
Caractérisation physico-chimique
..............................................................................77
2.2.2.1 Analyse élémentaire
.....................................................................................................77
2.2.2.2 Répartition granulométrique
..........................................................................................78
2.2.2.3 Siccité
.......................................................................................................................79
2.2.3
Caractérisation structurale
........................................................................................79
2.2.3.1 Densités apparente et réelle
...........................................................................................79
2.2.3.2 Surface spécifique
........................................................................................................80
2.2.3.3 Porosité
.....................................................................................................................80
2.2.3.4 Microstructure
............................................................................................................81
2.2.3.5 Capacité d’absorption en eau
.........................................................................................82
2.2.4
Comportement à la lixiviation
....................................................................................84
2.2.4.1 Solubilisation en fonction du pH
.....................................................................................84
2.2.4.2 Lixiviations
................................................................................................................86
2.3 CARACTÉRISATION DU DÉCHET DE CHARBON ACTIF
.........................................94
2.3.1
Echantillonnage
..........................................................................................................94
2.3.2
Caractérisation physico-chimique
..............................................................................94
2.3.2.1 Analyse élémentaire
.....................................................................................................94
2.3.2.2 Répartition granulométrique
..........................................................................................95
2.3.2.3 Siccité
.......................................................................................................................96
2.3.3
Caractérisation structurale
........................................................................................96
2.3.3.1 Densités apparente et réelle
...........................................................................................96
2.3.3.2 Surface spécifique
........................................................................................................96
2.3.3.3 Porosité
.....................................................................................................................97
2.3.3.4 Microstructure
............................................................................................................97
2.3.3.5 Capacité d’absorption en eau
.........................................................................................98
2.3.4
Comportement à la lixiviation
....................................................................................99
2.3.4.1 Solubilisation en fonction du pH
.....................................................................................99
2.3.4.2 Lixiviations
..............................................................................................................102
2.4 CONCLUSION
.....................................................................................................................108
2.4.1
Récapitulatif des caractéristiques des déchets bruts
................................................108
2.4.2
Tests de caractérisation
............................................................................................109
2.4.3
Conclusions sur la caractérisation des déchets en vue de leur stabilisation/
solidification
.........................................................................................................................109
14
CHAPITRE 3 : TRAITEMENT DES DECHETS POREUX PAR UN LIANT
HYDRAULIQUE
...................................................................................................................111
3.1 DÉFINITION DU PROCÉDÉ DE TRAITEMENT ET APPLICATION
......................113
3.1.1
Mise au point du procédé
.........................................................................................113
3.1.1.1 Détermination de la formulation
...................................................................................113
3.1.1.1.1
Rapport déchet/liant
..............................................................................................113
3.1.1.1.2
Granulométrie du déchet
........................................................................................114
3.1.1.1.3
Quantité d'eau
.....................................................................................................115
3.1.1.1.4
Ordre d'ajout des réactifs
........................................................................................115
3.1.1.1.5
Nature du liant
....................................................................................................115
3.1.1.1.6
Additifs
............................................................................................................116
3.1.1.2 Application à un autre déchet
.......................................................................................116
3.1.2
Traitement des déchets
.............................................................................................116
3.2 CARACTÉRISATION DES DÉCHETS TRAITÉS
.........................................................117
3.2.1
Méthodes de caractérisation
....................................................................................117
3.2.1.1 Echantillonnage
.........................................................................................................117
3.2.1.1.1
Echantillonnage
...................................................................................................117
3.2.1.1.2
Broyage
............................................................................................................118
3.2.1.2 Caractérisation physico-chimique
.................................................................................118
3.2.1.2.1
Analyse élémentaire
..............................................................................................118
3.2.1.2.2
Siccité
..............................................................................................................118
3.2.1.2.3
Résistance en compression
......................................................................................118
3.2.1.3 Caractérisation structurale
...........................................................................................119
3.2.1.3.1
Masse volumique apparente
.....................................................................................119
3.2.1.3.2
Microstructure
....................................................................................................119
3.2.1.3.3
Capacité d’absorption en eau
...................................................................................119
3.2.1.4 Comportement en lixiviation
........................................................................................120
3.2.1.4.1
Solubilisation en fonction du pH
...............................................................................120
3.2.1.4.2
Lixiviations
........................................................................................................120
3.2.2
Caractérisation du catalyseur usé traité
..................................................................121
3.2.2.1 Caractérisation physico-chimique
.................................................................................121
3.2.2.1.1
Analyse élémentaire
..............................................................................................121
3.2.2.1.2
Siccité
..............................................................................................................123
3.2.2.1.3
Résistance en compression
......................................................................................123
3.2.2.2 Caractérisation structurale
...........................................................................................124
3.2.2.2.1
Masse volumique apparente
.....................................................................................124
3.2.2.2.2
Microstructure
....................................................................................................125
3.2.2.2.3
Capacité d’absorption en eau
...................................................................................127
3.2.2.3 Comportement en lixiviation
........................................................................................129
3.2.2.3.1
Solubilisation en fonction du pH
...............................................................................129
3.2.2.3.2
Lixiviations
........................................................................................................133
3.2.2.4 Conclusion
...............................................................................................................140
3.2.3
Caractérisation du déchet de charbon actif traité
....................................................140
3.2.3.1 Caractérisation physico-chimique
.................................................................................140
3.2.3.1.1
Analyse élémentaire
..............................................................................................140
3.2.3.1.2
Siccité
..............................................................................................................142
3.2.3.1.3
Résistance en compression
......................................................................................142
15
3.2.3.2 Caractérisation structurale
...........................................................................................143
3.2.3.2.1
Masse volumique apparente
.....................................................................................143
3.2.3.2.2
Microstructure
....................................................................................................143
3.2.3.2.3
Capacité d’absorption en eau
...................................................................................144
3.2.3.3 Comportement en lixiviation
........................................................................................146
3.2.3.3.1
Solubilisation en fonction du pH
...............................................................................146
3.2.3.3.2
Lixiviations
........................................................................................................149
3.2.3.4 Conclusion
...............................................................................................................154
3.3 VERS UNE MÉTHODOLOGIE D'AIDE AU CHOIX DU PROCÉDÉ A ADOPTER
.155
3.3.1
Récapitulatif des caractéristiques des déchets traités
..............................................155
3.3.2
Propriétés des liants hydrauliques en tant que matrice de stabilisation/solidification
de déchets poreux
.................................................................................................................156
3.3.2.1 Solidification
............................................................................................................157
3.3.2.2 Stabilisation
..............................................................................................................157
3.3.2.3 Perspectives d’amélioration
.........................................................................................157
3.3.3
Tests d’évaluation des déchets traités et du procédé de traitement
.........................158
3.4 CONCLUSION
.....................................................................................................................160
CHAPITRE 4 : TRAITEMENT DES DECHETS POREUX PAR UN LIANT
BITUMINEUX
.......................................................................................................................161
4.1 DÉFINITION DES PARAMÈTRES D’UN PROCÉDÉ DE TRAITEMENTERREUR!
SIGNET NON DÉFINI.
4.1.1
Objectifs du traitement
.......................................
ERREUR! SIGNET NON DÉFINI.
4.1.2
Ebauche de formulation d’un procédé
.....................................................................163
4.1.2.1 Type de liant bitumineux
.............................................................................................164
4.1.2.2 Température
.............................................................................................................164
4.1.2.3 Rapport liant/déchet
...................................................................................................164
4.1.2.4 Temps de séjour en température
...................................................................................165
4.2
ESSAIS
DE
TRAITEMENT
PAR
UN
LIANT
BITUMINEUX
ET
CARACTÉRISATION DES DÉCHETS TRAITÉS
...............................................................165
4.2.1
Caractérisation du catalyseur usé traité
..................................................................165
4.2.1.1 Caractérisation physico-chimique
.................................................................................165
4.2.1.1.1
Fluage
..............................................................................................................165
4.2.1.1.2
Pénétration du bitume dans les pores du déchet
..............................................................166
4.2.1.2 Caractérisation structurale
...........................................................................................168
4.2.1.2.1
Masse volumique apparente
.....................................................................................168
4.2.1.2.2
Microstructure
....................................................................................................169
4.2.1.2.3
Capacité d’absorption en eau
...................................................................................171
4.2.1.3 Comportement en présence d’eau
..................................................................................173
4.2.1.3.1
Perméabilité et diffusion à travers le bitume
..................................................................174
4.2.1.3.2
Influence de la température à laquelle s’opère le traitement
................................................176
4.2.1.3.3
Influence du rapport liant/déchet
...............................................................................180
4.2.1.3.4
Influence du temps de séjour en température
.................................................................182
4.2.1.3.5
Cas particulier du vanadium
....................................................................................185
4.2.1.4 Conclusion
...............................................................................................................186
4.2.2
Caractérisation du déchet de charbon actif
.............................................................187
16
4.2.2.1 Caractérisation physico-chimique
.................................................................................187
4.2.2.1.1
Fluage
..............................................................................................................187
4.2.2.1.2
Elément du bilan matière
........................................................................................187
4.2.2.2 Caractérisation structurale
...........................................................................................189
4.2.2.2.1
Masse volumique apparente
.....................................................................................189
4.2.2.2.2
Microstructure
....................................................................................................190
4.2.2.2.3
Capacité d’absorption en eau
...................................................................................191
4.2.2.3 Comportement en présence d’eau
..................................................................................193
4.2.2.3.1
Diffusion à travers le bitume
....................................................................................193
4.2.2.3.2
Influence de la température à laquelle s’opère le traitement
................................................194
4.2.2.3.3
Influence du rapport liant/déchet
...............................................................................196
4.2.2.3.4
Influence du temps de séjour en température
.................................................................196
4.2.2.4 Conclusion
...............................................................................................................197
4.3 VERS UNE MÉTHODOLOGIE D'AIDE AU CHOIX DU PROCÉDÉ A ADOPTER
.197
4.3.1
Récapitulatif des caractéristiques des déchets traités par un bitume
......................198
4.3.2
Définition d’un procédé de traitement par un liant bitumineux
...............................199
4.3.3
Perspectives des liants bitumineux en tant que matrice de stabilisation/ solidification
de déchets poreux
.................................................................................................................201
4.3.3.1
Solidification
..............................................................................................................201
4.3.3.2
Stabilisation
................................................................................................................201
4.4 CONCLUSION
.....................................................................................................................201
CONCLUSION GENERALE
...........................................................................................202
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
......................................................................205
ANNEXE 1
...............................................................................................................................213
ANNEXE 2
...............................................................................................................................215
LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................225
LISTE DES FIGURES .................................................................................................................226
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