6. Que cherche-t’on à savoir maintenant?
6.3 Comment déterminer le potentiel de relargage à long terme des produits de construction ?
La compréhension des principaux mécanismes mis en jeu lors de la lixiviation des matrices cimentaires ou des déchets stabilisés a fait l’objet de nombreux travaux [123], [144], [145],[56] mais peu de données sont disponibles sur le comportement à la lixiviation des éléments chimiques dans les matrices cimentaires intégrant des sédiments de dragage ou de curage en substitution de la fraction sableuse ou du ciment [112]. Les principaux hydrates des ciments Portland ou composés sont connus pour admettre de nombreuses substitutions dans leur structure. Présents dans les eaux de gâchage lors de l’hydratation des ciments, certains éléments traces métalliques non détectés dans les essais de lixiviation sur monolithes peuvent se retrouver dès le début de l’hydratation dans la structure solide du ciment, au sein de phases minérales de faible solubilité. Il existe divers mécanismes de rétention des polluants métalliques dont les 4 principaux sont :
1) L’adsorption : les atomes ou molécules qui constituent le déchet se fixent à la surface d’un substrat via des interactions électrostatiques (physisorption) ou des liaisons ioniques ou covalentes (chimisorption). Lorsqu’un ion métallique réagit avec un groupement anionique de surface comme avec un ligand, on parle de complexation de surface.
2) La précipitation : les espèces dissoutes peuvent précipiter dans l’eau des pores ou à la surface des particules solides, si le produit de solubilité du précipité est dépassé. Les précipités métalliques les plus courants sont les hydroxydes et les carbonates.
3) L’inclusion ou piégeage mécanique : les déchets sous formes de particules ou de précipités sont piégés mécaniquement dans la porosité fermée lors de la croissance des hydrates. 4) La substitution dans le réseau cristallin : il s’agit de substituer un ou plusieurs ions de la
structure d’un hydrate par des ions provenant du déchet. Leur taille et leur charge doivent être compatibles.
Une approche visant à intégrer les phénomènes d’évolution physico-chimique des matrices cimentaires et les conditions des scénarii de valorisation (figure 73) est envisageable uniquement à travers l'utilisation de modèles numériques conçus pour simuler la spéciation chimique ou le transport réactif dans des conditions spécifiées.
MEMOIRE D’HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES 165 Figure 73. Paramètres spécifiques aux matériaux et externes influant sur le relargage de contaminants de matériaux
monolithiques et granulaires dans l'usage routier (source : ECN, [146])
Les résultats des tests de lixiviation doivent être évalués en tenant compte du potentiel de modification des conditions de lixiviation au-delà du domaine des conditions d'essai en laboratoire, telles que l'oxydation des matériaux, la réduction du matériau oxydé, la carbonatation et l’effet de facteurs physiques et chimiques externes (figure 73). La modélisation de la spéciation chimique du rapport liquide-solide peut être utilisée pour comprendre les mécanismes (par exemple, les phases minérales, la sorption et les phénomènes de complexation) contrôlant la lixiviation de toute la gamme des constituants observés en laboratoire et sur le terrain. Elle permet également de comprendre la lixiviation des matériaux dans des conditions qui ne sont pas facilement observables en laboratoire. Bien que le comportement général de beaucoup de constituants majeurs et traces soit raisonnablement représenté dans des scénarii pertinents en s’appuyant notamment sur la norme NF EN 12920+A1, l’application de la modélisation de la spéciation chimique à la gestion des sédiments est actuellement contrainte par la disponibilité des données d'essai pour identifier les phases solides importantes et la gamme de données thermodynamiques disponibles pour les paramètres du modèle. Les modèles permettent de résoudre simultanément les équations chimiques, thermodynamiques, et cinétiques représentant la minéralogie, l’adsorption, les réactions d'interactions aqueuses qui permettent d'évaluer la répartition liquide-solide à l'équilibre en fonction de la composition du matériau et de la phase fluide, du pH et de l’état redox.
Les effets des paramètres physiques (par exemple, la nature monolithique des matériaux qui modifient l’infiltration ou l’écoulement préférentiel pendant la percolation) peuvent être évalués par couplage des résultats de modèles de spéciation chimique avec des modèles de transport de masse, souvent appelés modèles de transport réactif.
MEMOIRE D’HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES 166
Ainsi, la spéciation chimique et les modèles de transport réactif peuvent être des outils utiles pour évaluer de manière prospective ou rétrospective (i) l’impact des scénarii difficilement reproductibles en laboratoire sur le comportement à la lixiviation des matériaux, et (ii) le vieillissement des matériaux sous les contraintes climatiques du terrain.
La prédiction du comportement à la lixiviation des matériaux fabriqués (granulaires ou monolithiques) est une question cruciale pour le développement des filières de valorisation. Cette problématique sera au cœur du programme scientifique du second volet de la chaire industrielle de recherche ECOSED.
Une autre question, plus vaste et plus délicate mais qui intéresse les industriels et collectivités locales en charge de la gestion des déchets, est de savoir quel est l’impact environnemental associé à la co- valorisation des sédiments et des matériaux alternatifs (cendres, mâchefers, etc.) en particulier dans le secteur des travaux publics. Cette question est vaste car elle dépend des propriétés physico- chimiques des matériaux mélangés, des formes chimiques des substances présentent dans les matériaux alternatifs, des concentrations émises, des interactions physico-chimiques entre les matrices, du traitement appliqué (recomposition granulaire, traitement aux liants minéraux ou organiques) et donc de l’usage envisagé, etc… Les impacts devant être évalués à court, moyen et long terme sur l’ensemble du cycle de vie des matériaux dans le scénario de réutilisation.
Les questions actuelles sont évidemment nombreuses et de plus en plus complexes et font heureusement, l’originalité et la finalité de nos recherches.
MEMOIRE D’HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES 167