Les cendres issues de boues de traitement des eaux urbaines

II.3.1 Composition des matériaux

A l’instar de la majorité des matériaux de construction, les cendres issues des boues de traitement des eaux sont basées sur le système SiO2/CaO/Al2O3 (tableau 1-5). La littérature

montre que les boues d’épurations calcinées sont polyphasiques. Le silicium est sous forme de quartz, le calcium sous la forme de sulfates, comme le gypse (CaSO4, 2H2O) ou l’anhydrite

(CaSO4), et on le retrouve aussi sous forme de phosphates, comme l’hydroxyapatite ou la

whitlockite (respectivement Ca5(PO4)3(OH) et β-Ca3(PO4)2). Le calcium est dans de rares cas

sous forme de chaux libre (CaO, nH2O). Les cendres peuvent aussi contenir des phases minérales

comme l’hématite, la magnétite ou encore des feldspaths, des micas. De plus, une phase vitreuse est généralement présente, ce qui en fait un matériau potentiellement pouzzolanique (Cyr et al. 2007).

Tableau 1-5 : Variabilité de la composition de la phase minérale des cendres issues des boues de station d’épuration calcinées (Cyr et al. 2007).

élément Min max moyenne

SiO2 14% 65% 36,1 % CaO 1% 40% 14,8 % Al2O3 4% 34% 14,2 % Fe2O3 2% 30% 9,2 % P2O5 <1% 27% 11,6 % MgO <1% 23% 2,4 % SO3 <1% 13% 2,8 % Na2O <1% 0,9% 6 % K2O <1% 3% 1,3 % TiO2 <1% 1% 1,1 %

Les cendres de boues d’épuration calcinées présentent souvent de fortes teneurs en phosphates. Les effets de cet élément dépendent considérablement de la forme chimique sous laquelle il se trouve. Il est considéré comme un retardateur de prise lorsqu’il est présent sous forme d’ion orthophosphate, PO43- (provenant de la dissolution de Na3PO4, K3PO4). En fait, les

et enfin le groupement hydroxyle OH- _{par des halogènes comme F}- _{ou Cl}-_{. Ce point doit être}

analysé plus complètement.

Les cendres de boues d’épuration calcinées peuvent aussi présenter une forte concentration en sulfates. La valeur moyenne est de 7%, ce qui est bien supérieur à la limite de 3% ou 5% fixée par respectivement par les normes européenne et américaine des cendres volantes (NF EN 450-1+A1 2007; ASTM C618-03 2003; CSA A3004-08 E1 2008).

Il en est de même pour les teneurs en alcalins, qui peuvent être supérieures aux limites fixées par l’ASTM ou la norme AFNOR, respectivement de 1,5% et 3% (NF EN 450-1+A1 2007; ASTM C618-03 2003)

II.3.2 Utilisation en matrice cimentaire

La valorisation des boues de station d’épuration dans le domaine de la construction est un sujet d’étude relativement récent. La littérature fait état de différentes voies d’utilisation dans la construction. Des investigations ont été réalisées dans des applications comme la production de briques (Weng et al. 2003; Wiebusch & Seyfried 1997), dans la fabrication d’éco-ciment (K. L. Lin et al. 2005; Yen et al. 2011), ou encore dans la fabrication de granulats légers (Laursen et al. 2006; Mun 2007; Wang 2009). D’autres recherches ont porté sur l’utilisation des boues en matrice cimentaire. Dans ce cas, on retrouve les boues sous plusieurs formes : brutes, déshydratées, séchées, ou calcinées. Nous nous intéresserons principalement aux boues calcinées utilisées en substitution du ciment.

II.3.2.1 Ouvrabilité

De nombreux auteurs rapportent une diminution de l’ouvrabilité des pâtes fraiches, ce qui est attribué à la forme irrégulière et à la porosité des boues calcinées. Certains auteurs (Monzó et al. 2003), recommandent d’ailleurs l’utilisation de plastifiants pour limiter la demande en eau supplémentaire.

II.3.2.2 Influence de la finesse

Concernant la finesse, Monzó et al. ont déterminé que 26% en masse des cendres de boues STEP présentaient une taille supérieure à 80µm. Des études concernant l’impact du broyage des boues calcinées sur les propriétés de mortiers ont été réalisées (Pan et al. 2003; Monzó et al. 2003). Il ressort que l’activité pouzzolanique augmente avec la finesse, mais aussi que l’ouvrabilité est affectée. Cet effet est attribué à une demande en eau supérieure, due d’une part à la géométrie irrégulière de la poudre et, d’autre part, à l’ouverture des pores qui étaient initialement fermés.

II.3.2.3 Prise et hydratation

La présence d’espèces organiques résiduelles et les métaux lourds peuvent nuire à la prise et à l’hydratation à court et long terme (Valls et al. 2004; Alqedra M. 2011) font ainsi apparaitre que la prise et l’hydratation au jeune âge sont affectées au-delà de 10% de substitution du ciment dans des mortiers.

Le temps de prise des pâtes ou mortiers peut être allongé par l’incorporation de boues d’épuration calcinées (Pan et al. 2003; Coutand et al. 2006; Dyer et al. 2010). Ces matériaux présenteraient également une faible activité pouzzolanique. Dans la plupart des études, les mortiers montrent des propriétés mécaniques inférieures aux références mais des indices d’activités intéressants (Coutand et al. 2006; Pan et al. 2003; Cyr et al. 2007; Garcés et al. 2008).

(Dyer et al. 2010) ont étudié l’hydratation de pâtes de ciment incorporant 20%, 35% et 50% de boues calcinées. La prise, caractérisée par calorimétrie, apparait retardée par l’ajout de boues calcinées. De plus, les auteurs ont observés un dédoublement prononcé du pic d’hydratation lors de l’incorporation des boues calcinées. Celui-ci serait attribué à la conversion de l’ettringite (AFt) en monosulfo-aluminate (AFm), associé à la forte teneur en Al2O3 et Fe2O3

présent en phase amorphe. Ces phases amorphes étant notamment des phosphates, les auteurs estiment qu’en présence de portlandite, il y aurait formation d’hydroxyapatite peu cristalline. Enfin, les auteurs ont estiment que les cendres présentent une activité pouzzolanique, associé à une diminution de la teneur en portlandite au cours du temps, lorsque les boues calcinées sont incorporées aux pâtes.

II.3.2.4 Performances et durabilité

La porosité des mortiers contenant des cendres de boues d’épuration tend à augmenter avec le taux de substitution (Yagüe et al. 2005; Garcés et al. 2008). Cela peut être attribué à la demande en eau de l’ajout. Dans leur étude, (Garcés et al. 2008) montrent tout de même que l’utilisation d’un CEM II/B (V-LL) 42,5 permet également d’obtenir des propriétés mécaniques ainsi que des porosités correctes, ce qui suggère l’effet synergétique de l’utilisation de cendres vo ajouts minéraux (cendres volantes/laitiers).

La résistance aux sulfates a été étudiée par Garcés et al. à travers le suivi du gonflement. il a été montré que le comportement des mortiers contenant des boues calcinées est similaire à la référence, malgré la teneur en sulfates (Garcés et al. 2008).

Les aspects de durabilité des mortiers ou bétons contenant des boues de STEP séchées ont aussi été caractérisés par (Yagüe et al. 2005; Valls et al. 2004). Les auteurs ont étudié sur l’impact de la carbonatation. Les auteurs concluent que les propriétés de durabilité sont acceptables pour de faibles taux de substitution cimentaire (jusqu’à 10%). En revanche, la cinétique de carbonatation est augmentée par l’ajout des boues. D’après ces auteurs, des bétons contenant des boues séchées ne peuvent être utilisés que pour des applications spécifiques, ne

(Valls et al. 2001; Valls & Vàzquez 2002) ont étudié la carbonatation de mortiers contenant des boues de STEP séchées. Ils montrent que la carbonatation augmente la lixiviation des métaux lourds. Malgré cela, les lixiviats respectent les normes Européenne en vigueur.