Phases amorphes et matière organique dans les sols urbains

Les analyses par diffraction de rayons X montrent une grande quantité d’amorphes dans les scories ce qui se traduit par une large bosse au niveau des diffractogrammes sur la Figure 91. Les analyses Rietveld permettent d’estimer cette quantité d’amorphe à 24 % et 41 % dans les scories magnétiques de SI et SBB et à 58% et 47% dans les scories non magnétiques. Les taux d’amorphes détectés dans les fractions totales des deux sols (soit 13% pour SBB et 11% pour SI) proviennent essentiellement des scories mais également des briques produites à partir d’une cuisson. Ces dernières présentent une part amorphe d’origine sans doute minérale plus importante que les autres fractions issues du tri.

La DRX ne permet pas malheureusement de décrire la nature exacte des amorphes : ce sont potentiellement des phases minérales comme la silice SiO2 ou les CSH des pâtes cimentaires, mais également des phases riches en carbone organique (carbone de type charbon, imbrulés (MIOMS..), matière organique…).

Pour aller plus loin, dans la description des amorphes et leur lien avec la matière organique, nous avons réalisé des mesures complémentaires. Rappelons que les mesures de matière organique à l’aide de la norme sol (XP P94-047 « Détermination de la teneur pondérale en matières organiques d'un matériau ») basée sur une calcination à 450-550°C montre la présence de « MO » à hauteur de 5-8% dans les sols testés. Ces valeurs restent élevées pour des sols prélevés en profondeur en deçà du premier mètre. La présence de gypse, qui peut se déshydrater à basse température, contribue à

180 l’augmentation « apparente » des valeurs de MO, qui est en réalité dans ce cas la teneur en matière volatile (MV).

Tableau 31. Dosage du carbone à l’analyseur de carbone/soufre (ACS), des amorphes en DRX, de la matière volatile MV et calcul pour mesurer la matière organique des sols.

Echantillon CO2total (ACS) C tot % (ACS) C minéral % ** (ACS) C org % (ACS) MO=1.72xCorg (type sol humique)

MV (%) * Amorphe (DRX) Rc SI 17,99 4,91 4,25 0,66 1,14 2,2/4,7 5,71 Rc SBB 19,11 5,21 3,17 2,04 3,51 4,29 3,21 Rb SI 1,23 0,34 0,25 0,09 0,15 0,8/1,2 20,19 Rb SBB 0,89 0,24 0,19 0,05 0,09 0,89 34,44 Gy SI 7,23 1,97 1,93 0,04 0,07 4,3/5 0 Gy SBB 10,3 2,81 2,59 0,22 0,38 4,84 5,12 Ru SI 24,45 6,67 6,55 0,12 0,21 1,1/2 0 Ru SBB 21,94 5,98 5,75 0,23 0,40 1,55 0,01 X1 SI 25,57 6,97 5,11 1,86 3,20 8,4/8,6 2,11 X1 SBB 36,93 10,07 2,58 7,49 12,88 5,5/7,3 9,92 SF SI 14,56 3,97 0,68 3,29 5,66 5,4/6,3 41,86 SFr SB 5,8 1,58 0,00 1,62 2,79 1,13 24,07 SNF SI 71,27 19,44 0,00 20,1 34,57 7,8/19,7 47,21 SNF SBB 150,29 40,99 0,24 40,75 70,09 16.6 57,95 < 80 µmSI 23,25 6,34 4,54 1,8 3,10 4,3/5,3 8,13 < 80 µm SBB 36,09 9,84 4,23 5,61 9,65 8,4/10,4 11,9 80-400 µm SI 27,79 7,58 5,22 2,36 4,06 6,1/6,4 11,75 80-400 µm SBB 52,01 14,18 4,79 9,39 16,15 7,71 9,26 0,4- 20 mm SI 25,59 6,98 3,42 3,56 6,12 3,4/6,3 9,10 0,4- 20 mm SBB 49,93 13,62 3,84 9,78 16,82 8,4/10,2 12,85 F tot SI 26,36 7,19 3,81 3,38 5,81 3,5/6,8 11,36 F tot SBB 43,57 11,88 2,62 9,26 15,93 11/14,6 13,65

* Matière volatile par calcination à 450° / 550°C - méthode par calcination XP P94-047 ** (C minéral ou inorganique + MO soluble)

Pour essayer de mieux cerner la matière organique (notamment celle qui est considérée comme « active » et nocive par exemple pour la prise hydraulique d’un ciment), plusieurs méthodes de mesure ont été appliquées. Les résultats obtenus dans le Tableau 31 montrent des résultats très variables selon la méthode utilisée, ce qui est normal compte tenu que toutes ne mesurent pas exactement la même chose et que certains facteurs peuvent perturber les mesures ou introduire un biais. De plus, les mesures n’ayant pas été toutes faites sur les mêmes sous-échantillons, des différences peuvent apparaître également avec l’hétérogénéité des sols (l’analyseur de carbone/soufre (ACS) et les analyses thermiques par ATD/ATG sont réalisés sur les mêmes poudres).

Nous avons comparé:

 le taux de matière volatile MV obtenu par calcination à 450 ou 550°C (par pesée avant et après calcination), qui est assimilé dans la norme géotechnique au taux de matière organique. Cette technique permet de doser non seulement la matière organique qui se

dégrade thermiquement au-dessus de 40°C mais également l’eau adsorbée par l’échantillon (eau capillaire, eau interfoliaire des argiles,…). Comme mentionné précédemment, la présence de quantité non négligeable de gypse CaSO4, 2H2O dans les sols urbains testés contribue fortement au taux de matière volatile car sa déshydratation se produit autour de 100-150°C ;

 le carbone total TC ou CO2tot % (exprimé en % d’oxyde CO2), mesuré à l’analyseur de Carbone/Soufre (ACS) (four haute fréquence sous flux d’oxygène couplé à un détecteur IR). Un des avantages principaux de cette technique est la capacité d’oxyder les composés les plus difficiles à dégrader, en incluant les composés non solubles. En parallèle, le carbone minéral Cmineral % (type calcite) est mesuré par attaque acide. Le Carbone Organique Total (COT) ou Corg% qui correspond à la différence entre TC et Cmineral % est utilisé pour décrire la teneur en contaminants organiques à base de carbone présents dans les matériaux. Or une contamination organique peut avoir plusieurs origines telles que les acides humiques, fulviques ou l’humine dans les sols (souvent associés à la matière organique des sols de type sols agricoles), le sucre, le saccharose, l'alcool, le pétrole et polluants de type HAP, le PVC, les dérivés à base de plastique, etc.

D’après les analyses avec l’analyseur carbone/soufre sur les scories non magnétiques, le carbone organique atteint 20% dans SI et 41% dans SBB alors que dans les scories magnétiques, nous observons 3,3 et 1,6% de carbone organique. Si le carbone organique est considéré comme appartenant à la matière organique du sol, le taux de matière organique est calculé habituellement en multipliant la teneur en carbone par un coefficient stable et connu pour les sols cultivés régionaux. Ce coefficient est fixé à 1,72 (MO = 1,72 C). Cependant, nous n’avons pas la preuve que le carbone organique mesuré corresponde à de la matière organique que l’on trouve dans un sol superficiel, d’autant que la terre végétale de couverture a été dans notre cas écartée lors de l’échantillonnage (une petite quantité peut cependant être présente).

Si l’on compare maintenant les valeurs de MV, de MO et d’amorphes du Tableau 31, on note par exemple que l’amorphe mesuré dans les briques est essentiellement minéral et non associé à du carbone organique, compte tenu que MOCorg et MV sont très faibles. Par contre, dans le sol fin (fraction X1), la quantité d’amorphe se rapproche de la teneur de MOCorg, ce qui tendrait à dire que dans ce cas l’amorphe est lié au Corg. Dans les scories, les résultats montrent que l’amorphe des scories magnétiques n’est pas lié au carbone organique, alors que ce serait le cas plus vraisemblablement pour les scories non magnétiques.

Pour aller plus loin, les courbes d’analyse thermique différentielle ou ATD (Figure 94) obtenues par analyses thermiques (ATD/TG : analyse thermique différentielle/Thermogravimétrie) appliquées

182 aux sols, ne montrent pas la présence d’un pic exothermique généralement associé à la matière organique des sols (type humus, substance humique…) dont la calcination dégage de la chaleur. Dans ce cas, un pic exothermique se manifeste sur la courbe bleue par un pic vers le haut.

Cela nous conforte dans l’idée que le Corg. de nos sols est associé à des composés autres que des substances organiques généralement rencontrées dans un sol agricole (ou des composés susceptibles de produire de la chaleur au cours de leur combustion). Il faut donc rester très prudent avec le terme de « matière organique ». De plus, les mesures de TG en même temps que l’ATD ont été couplées à un analyseur des gaz émis lors de la combustion. Le principal gaz émis est H2O jusqu’à 200-250°C alors que le carbone semble émis en faible quantité dans cette gamme de température et il augmente ensuite dans la gamme de température de décomposition des carbonates minéraux (pas ou peu de CO2 libéré par combustion à basse température)

Pour confirmer ces résultats, la détermination du taux de matière organique d’un sol (MO) pourrait également être réalisée indirectement, à partir du dosage de la teneur en carbone organique suivant la méthode NF ISO 14235 (Qualité du sol -- Dosage du carbone organique par oxydation sulfochromique). La méthode oxydative NF P94-055 (Détermination de la teneur pondérale en matières organiques d'un sol - Méthode chimique) peut également être utilisée. Cependant, ces méthodes sont généralement non applicables aux sols contenant des composés minéraux réducteurs, tels que Cl^- ou Fe²⁺ (c’est le cas de nos sols qui sont riches en oxydes avec présence de FeII et FeIII). En effet, dans ce cas le dosage permettrait de quantifier non seulement la matière organique mais également d’autres composés à base de fer, ce qui fausserait la mesure.

En conclusion, il est difficile de mesurer réellement la quantité de matière organique « active » de nos sols. Selon la nature des composés auxquels est rattaché le carbone organique, les propriétés géotechniques peuvent ne pas être impactées (même si les mesures de MV ou de Corg paraissent importantes). Le carbone organique des sols est concentré dans les scories, tout comme la majeure partie des polluants, et connaître la nature des composés organiques reste une étape importante pour mieux appréhender le comportement des polluants (généralement fortement fixés par la matière organique « active »).

(a)

(b)

Figure 94. Courbe thermogravimétrique (en rouge) ATD en bleu et DTG en vert sur la fraction < 80 µm de SBB (a) et de SI (b). Les zones hachurées en bleu correspondent à l’émission d’H2O et les pics en noir à l’émission de

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