Valorisation des sédiments de dragage traités par le procédé NOVOSOL(r) dans des matériaux d'assises de chaussée. Comportement mécanique et environnemental

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Délivré par Université Paul Sabatier Spécialité : Génie Civil

JURY

M. Pierre CLASTRES, Professeur, INSA de Toulouse, examinateur M. Guy DEPELSENAIRE, Ingénieur, SOLVAY SA, examinateur

M. Gilles ESCADEILLAS, Professeur, Université Paul Sabatier, examinateur

M. Bernard HUSSON, Maître de Conférences HDR, Université Paul Sabatier, directeur de thèse M. Daniel LEVACHER, Professeur, Université de Caen, rapporteur

M. William PRINCE-AGBODJAN, Professeur, INSA de Rennes, rapporteur

Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Unité de recherche : Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions

Directeur(s) de Thèse : Bernard HUSSON

Présentée et soutenue par Thanh Binh NGUYEN

Le 17 Juillet 2008

Titre : Valorisation des sédiments de dragage traités par le procédé

NOVOSOL® dans des matériaux d'assises de chaussée -

Comportement mécanique et environnemental

Ce travail de recherche a été financé par la société SOLVAY France. Il s’est déroulé au Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de l'Université Paul Sabatier et de l'Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse.

Mes remerciements s’adressent en premier lieu au Professeur Gilles Escadeillas, Directeur du LMDC, qui a accepté de faire partie de mon jury de thèse.

Je souhaite exprimer ma gratitude envers la société SOLVAY France pour m’avoir fait confiance et m’avoir permis d’intégrer leur projet. Je voudrais remercier en particulier M. Guy Depelsenaire, chef de projet chez Solvay SA, pour l’attention et le suivi qu’il a porté à mon travail. J’ai beaucoup apprécié son ouverture d’esprit et la motivation qu’il sait communiquer à toutes les équipes du projet. Je remercie également Mme Christine Tahon, Directeur-Général chez Solvay SA, pour sa gentillesse et ses encouragements envers les doctorants.

M. le Professeur Daniel Levacher mène depuis plusieurs années des recherches dans le domaine de la valorisation des sédiments ; il a accepté, malgré un emploi du temps chargé, d’être rapporteur de ce travail de thèse, qu’il en soit remercié.

Mes remerciements s’adressent également au Professeur William Prince ; malgré de nombreuses responsabilités, il a bien voulu, compte tenu de son expérience dans le domaine des matériaux, prendre le temps de rapporter sur mon travail.

Le Professeur Pierre Clastres a accepté de faire partie du jury : qu’il trouve ici l’expression de mes remerciements. Merci également à M. Zoubeir Lahfaj, qui a porté un intérêt tout particulier à ce travail. Je remercie mon directeur de thèse M. Bernard Husson : il a su me faire profiter de son expérience, merci pour ses conseils, sa patience et son écoute tout au long de ce travail. Je voudrais également remercier M. André Carles-Gibergues pour ses réflexions scientifiques qui m’ont été très profitables. Je remercie l’ensemble des personnes du LMDC et du département de Génie Civil m’ayant apporté leur aide administrative, scientifique et/ou technique au cours de mon travail, en particulier : Mme le Professeur Ginette Arliguie, anciennement directrice du LMDC qui m’a accepté au sein du laboratoire lors de mon entrée en DEA. Je tiens à remercier l’ensemble des professeurs pour la formation multidisciplinaire du DEA qui m’a été très utile, Jérôme Verdier d’avoir encadré mon premier stage de

recherche. Merci à M. Anaclet Turatsinze, M. Jean-Paul Balayssac pour leurs explications sur le

fonctionnement de la nouvelle presse, Mme. Simone Julien, chef du service chimie, qui m’a formé aux diverses techniques d’analyse physico-chimique. Merci à Albert Fenouil, Marc Bégué et Bernard Attard pour leur aide technique permanente. Je pense également à Maud Schiettekatte, Jean-Claude Degeilh, Guillaume Lambaré, Frédéric Leclerc, René Boujou pour leur disponibilité et leur soutien technique.

Je tiens à remercier le Laboratoire Régional des Ponts et de Chaussées de Toulouse dont M. Jean-François Lafon est chef du groupe « terrassements et chaussées » qui a accepté de me faire découvrir le labo, M. Alexandre Cuer pour les premiers documents sur les routes et les essais mécaniques. Un grand merci à M. Nicolas Teisseire qui m’a aidé dans la mise en œuvre de certains essais, pour sa disponibilité pour répondre à mes questions.

Je tiens également à remercier M. Van Tri Nguyen pour ses remarques et ses documents pertinents sur l’étude de matériaux routiers, Laurent pour des conseils concernant l’essai de percolation, Jean-Chills pour le partage de son expérience sur l’étude des graves traitées, Christelle pour des discussions sur l’étude de valorisation. Je pense aussi à tous les enseignants-chercheurs et les doctorants du LMDC qui ont créé une ambiance scientifique et conviviale dans le laboratoire, aux doctorants du même projet NOVOSOL® avec qui j’ai partagé de bons moments, aux amis vietnamiens avec qui j’ai de bons souvenirs à Toulouse.

Un grand merci à mes parents, mes frères, mon beau-frère, mes sœurs, mes belles-sœurs et mes nièces qui m’ont toujours soutenu et m’ont donné confiance. Merci enfin à Tâm, ma chérie, qui m’a soutenu avec patience et amour : c’est quelqu’un qui m’est très important et que j’aime.

NOM : NGUYEN Prénom : Thanh Binh

Sujet : Valorisation des sédiments de dragage traités par le procédé NOVOSOL® dans des matériaux d’assises de chaussée – Comportement mécanique et environnemental.

Nombre de pages : 260 p.

Thèse en sciences, spécialité Génie civil, Toulouse, 2008 Résumé

De par leur volume important, la gestion des sédiments de dragage représente un grand défi pour notre société. Leur contamination en métaux lourds et en micropolluants organiques fait qu’actuellement, la plupart des sédiments sont considérés comme déchets dangereux et sont mis en décharge. Ceci va à l’encontre de la politique actuelle où, dans le cadre d’un développement durable, la loi française favorise la valorisation afin que seuls les déchets ultimes soient mis en décharge. C’est dans ce contexte que la société Solvay a développé le procédé NOVOSOL® pour le traitement des sédiments pollués en vue d’une valorisation « matière ». Le procédé comporte deux étapes : une immobilisation des métaux lourds par formation d’apatites lors d’une phosphatation par acide phosphorique et une destruction des matières organiques par calcination. L’objectif de cette thèse est de valoriser des sédiments fluviaux traités par le procédé NOVOSOL® dans des matériaux routiers pour assises de chaussée. Les études expérimentales en laboratoire comportent deux aspects : performance mécanique et comportement à la lixiviation des matériaux.

Les sédiments traités NOVOSOL® sont introduits dans des matériaux traités aux liants hydrauliques en substitution d’une partie ou en totalité du sable traditionnel. L’élaboration des matériaux selon la méthodologie d’étude en vigueur ne présente aucune difficulté. L’augmentation de la teneur en sédiments entraîne une demande en eau accrue et les matériaux ainsi réalisés sont moins compacts que des matériaux témoins. Ceci est attribuable aux caractéristiques des sédiments traités NOVOSOL® : teneur en fines importante, la friabilité et la porosité des grains. Ces caractéristiques ont pour conséquence d’affaiblir le squelette granulaire, ce qui se traduit par une diminution du module d’élasticité des matériaux. Par contre, la réactivité des sédiments traités NOVOSOL® dans la matrice de liant hydraulique et une meilleure homogénéité des matériaux conduisent à une amélioration de la résistance à la traction. La qualité mécanique de toutes les compositions incorporant des sédiments traités NOVOSOL® évaluée par l’indice de qualité élastique est meilleure que celle des témoins.

Pour étudier le comportement à la lixiviation à long terme en tenant compte du scénario d’exposition réel, un essai de lixiviation accélérée par percolation à l’eau sous pression a été développé. L’appareillage et le mode opératoire ont été adaptés sur une large gamme de matériaux en termes de perméabilité et d’état structurel. Les résultats hydrauliques ont montré que les matériaux routiers incorporant des sédiments sont moins perméables que les matériaux traditionnels. Le suivi de la composition chimique des solutions percolées a montré que le relargage est en général linéaire ou décroissant progressif au cours du temps. L’analyse du taux de dissolution des éléments peut renseigner sur leur ordre de mobilité dans chaque type de matériaux. Le piégeage des métaux lourds dangereux par le liant hydraulique a été démontré. En l’absence de critères réglementaires en matière de lixiviation pour la valorisation des sédiments dans des matériaux routiers, l’utilisation du système actuel de classification de mise en décharge des déchets montre que les relargages des métaux lourds des matériaux routiers incorporant des sédiments traités NOVOSOL® sont inférieurs aux seuils des déchets inertes. Cette conclusion est confirmée à la fois par l’essai de conformité en vigueur mais également par l’essai de percolation.

La valorisation des sédiments traités NOVOSOL® dans les matériaux routiers traités aux liants hydrauliques pour assises de chaussée est donc tout à fait envisageable du point de vue technologique, mécanique et environnemental.

Mot clés : déchets, sédiments fluviaux, procédé NOVOSOL®, environnement, valorisation, route, chaussée, lixiviation, percolation, relargage, métaux lourds.

Name: NGUYEN First name: Thanh Binh

Subject: Valorization of dredged sediments treated by the process NOVOSOL® in road base materials – mechanical and environmental behaviour

Total number of pages : 260 p.

Thesis in science of civil engineering, Toulouse, 2008 Abstract

The management of dredged sediments is a challenge for our society because of their huge volume. The contamination of heavy metals and organic micro pollutants make that the majority of dredged sediments are regarded as dangerous waste and are put in discharge. This isn’t in the same point of view of the durable development policy: the French law supports the valorization so that only ultimate waste is put in discharge. In this context, Solvay Company has developed the process NOVOSOL® for the treatment of the dredged sediments polluted. The process comprises two stages: an immobilization of heavy metals by formation of apatite under a phosphatising reaction with acid phosphoric and a destruction of the organic matter by a calcination. The goal of this thesis is to use river sediments treated by the process NOVOSOL® in road base materials. Experimental studies in laboratory comprise two aspects: mechanical performance and leaching behaviour.

The treated sediments by NOVOSOL® are introduced into road base mixes treated with cementitious binders as substitute for regular sand. The preparation of materials according to the normalized methodology in laboratory does not present any difficulty. As the treated sediments content increases, the water demand increases and the materials are less compact than reference material. This is due to the characteristics of treated sediments: important ratio of fines, friability and the porosity of granular. These characteristics have as a consequence to weaken the granular skeleton, which results in a reduction in the stiffness module of materials. On the other side, the reactivity of treated sediments NOVOSOL® in the matrix of cimentitious binder and a better homogeneity of materials lead to an improvement of the tensile strength. Mechanical performance of all the materials with of treated sediments NOVOSOL® evaluated by index of elastic quality is better than that of the reference material.

To study the long-term leaching behaviour by taking account of the real exposition scenario, an accelerated leaching test by percolation of water under pressure was developed. The apparatus and the procedure were adapted on a large range of material in terms of permeability and structural state. The hydraulic results showed that the road materials with the sediments treated by NOVOSOL® are less permeable than reference material. The chemical composition of the leaching solutions showed that salting out is linear or decreasing progressive during the time. The analyse of elements’ dissolution rate can inform about their order of mobility in each type of materials. The trapping of dangerous heavy metals by the cementitious binder was shown. By the absence of lawful criteria as regards leaching for the valorization of the sediments in road materials, the current classification system of waste discharge shows that heavy metals leaching from road materials with sediments treated by NOVOSOL® are lower than the thresholds of inert waste. This conclusion is confirmed by the conformity test and by the percolation test.

The valorization of river dredged sediments treated NOVOSOL® in road base mixes treated with cementitious binders is thus possible from the technological, mechanical and environmental point of view.

Key word: waste, river sediments, process NOVOSOL®, environment, valorization, road, road base, leaching, percolation, heavy metals.

Introduction générale_________________________________6

Chapitre I : Problématique_____________________________8

I.1. Gestion des sédiments de dragage10

I.1.1. Sédiments de dragage ...10

I.1.1.a. Nature et contamination...11

I.1.1.b. Méthodes de dragage et de transport ...14

I.1.2. Le devenir des sédiments de dragage ...15

I.1.2.a. Procédés de traitements...15

I.1.2.b. Filières d’élimination ...16

I.1.2.c. Valorisation matière en génie civil et en travaux publics ...20

I.1.3. Conformité à la lixiviation des déchets ...23

I.1.3.a. Critères de mise en décharge ou de valorisation ...23

I.1.3.b. Essais de lixiviation de conformité...26

I.2. Evaluation du comportement à la lixiviation des sédiments...28

I.2.1. Méthodologie d’évaluation...28

I.2.2. Essais de lixiviation ...31

I.2.2.a. Essais paramétriques ...31

I.2.2.b. Essais de simulation ...34

I.2.2.c. Essai de lixiviation par percolation sous pression ...37

I.3. Synthèse et orientation de l’étude..38

Partie A : Valorisation des sédiments traités NOVOSOL®

dans des matériaux d'assises de chaussée

Chapitre II : Sédiments de dragage traités par le procédé

NOVOSOL® ______________________________________40

II.1.1. Phosphatation : NOVOSOL® A ...43

II.1.2. Calcination : NOVOSOL® B ...45

II.1.3. Paramètres technico-économiques ...46

II.2. Caractérisation des sédiments traités NOVOSOL® ... 48

II.2.1. Présentation générale ...48

II.2.2. Caractérisation physique...50

II.2.2.a. Courbe granulométrique ...50

II.2.2.b. Teneur en eau...51

II.2.2.c. Masses volumiques ...52

II.2.3. Composition chimique...52

II.2.3.a. Eléments majeurs ...53

II.2.3.b. Eléments mineurs ...54

II.2.4. Composition minéralogique...55

II.2.4.a. Analyse qualitative ...55

II.2.4.b. Observation des phases ...58

II.2.5. Réactivité en solution basique de chaux...59

II.2.6. Aspect environnemental...60

II.2.6.a. Teneur en métaux lourds ...61

II.2.6.b. Comportement à la lixiviation...62

dans des matériaux routiers __________________________64

III.1. Généralités sur les matériaux routiers traités aux liants hydrauliques

(MTLH)....66

III.1.1. Assises de chaussée ...66

III.1.1.a. Profil type d’une chaussée ...66

III.1.1.b. Familles de structures de chaussée...67

III.1.2. Matériaux traités aux liants hydrauliques (MTLH)...69

III.1.2.a. Définition...69

III.1.2.b. Caractéristiques générales...69

III.1.2.c. Caractéristiques mécaniques ...71

III.1.3. Démarche d’étude de valorisation des sédiments traités NOVOSOL®...72

III.2. Elaboration des MTLH72 III.2.1. Constituants de base ...72

III.2.1.a. Liant hydraulique routier Rolac 425...72

III.2.1.b. Granulats ...75

III.2.1.c. Eau ...77

III.2.2. Détermination du pourcentage des composants ...77

III.2.2.a. Dosage en liant...77

III.2.2.b. Granularité des mélanges ...77

III.2.2.c. Teneur en eau et masse volumique apparente...82

III.2.2.d. Récapitulatif des formules d’étude ...85

III.2.3. Confection des éprouvettes ...87

III.2.3.a. Préparation des matériaux ...87

III.2.3.b. Fabrication par compression statique double effet ...89

III.2.3.c. Fabrication par vibrocompression ...89

III.2.4. Influence des sédiments traités NOVOSOL® sur des propriétés des MTLH ...90

III.2.4.a. Stabilité immédiate des STLH ...90

III.2.4.b. Stabilité volumique à long terme ...91

III.2.4.c. Propriété de surface : rugosité ...92

III.2.4.d. Porosité accessible à l’eau – Surface spécifique ...92

III.3. Conclusion95

Chapitre IV :Performances mécaniques des matériaux traités

aux liants hydrauliques ______________________________96

IV.1.1.a. Sur sables traités STLH ...99

IV.1.1.b. Sur graves traitées GTLH...101

IV.1.2. Essai de traction directe...101

IV.1.2.a. Appareillage...101

IV.1.2.b. Fonctionnement...103

IV.1.2.c. Expression des résultats ...103

IV.2. Cas des sables traités aux liants hydrauliques104 IV.2.1. Résistance à la traction des STLH...105

IV.2.2. Module d’élasticité...106

IV.2.3. Influence des sédiments traités NOVOSOL® ...109

IV.2.4. Classement des sables traités STLH...110

IV.3. Cas des graves traitées aux liants hydrauliques..112

IV.3.1. Résistance à la traction par l’essai de compression diamétrale ...112

IV.3.2. Résistance et module d’élasticité à la traction par l’essai de traction directe ...113

IV.3.3. Classement des graves traitées GTLH ...115

matériaux routiers incorporant des sédiments traités

NOVOSOL®

Chapitre V :

Développement de l’essai de percolation d’eau

sous pression ____________________________________119

V.1.

Configuration générale de l’essai de percolation... 121

V.1.1. Evolution de l’appareillage ...121

V.1.2. Modes de percolation...124

V.1.2.a. Percolation axiale ...124

V.1.2.b. Percolation radiale ...124

V.2.

Développement de l’essai sur matériaux routiers... 125

V.2.1. Adaptation de l’appareillage...126

V.2.1.a. Montage de la cellule de percolation ...126

V.2.1.b. Système de mise en pression...127

V.2.2. Préparation des échantillons monolithiques ...129

V.2.2.a. Choix de dimensions des échantillons ...129

V.2.2.b. Etanchéité latérale des matériaux monolithiques ...130

V.2.3. Préparation des échantillons granulaires...134

V.2.4. Déroulement chronologique de l’essai...135

V.2.4.a. Préconditionnement de l’échantillon ...135

V.2.4.b. Mise sous pression ...136

V.2.4.c. Suivi de l’essai ...136

V.3. Conclusion _________________________________________________137

Chapitre VI :

Application de l’essai de percolation aux matériaux

routiers _________________________________________138

VI.1.

Analyse du régime hydraulique ... 140

VI.1.1. Choix de la pression d’injection d’eau...140

VI.1.2. Evolution du débit de percolation au cours du temps ...145

VI.1.2.a. Cas des sédiments traités NOVOSOL® compactés ...145

VI.1.2.b. Cas des sables traités aux liants hydrauliques ...146

VI.1.2.c. Cas des graves traitées aux liants hydrauliques ...149

VI.2.

Analyse de la réactivité des matériaux traités aux liants hydrauliques ..

... 150

VI.2.1. pH des solutions de percolation ...151

VI.2.2. Masse totale des éléments dissous ...151

VI.2.3. Composition chimique des percolats ...152

VI.2.3.a. Eléments majeurs...152

VI.2.3.b. Eléments mineurs...158

VI.2.4. Taux de dissolution ...159

VI.2.5. Propositions d’exploitation des résultats pour l’évaluation environnementale...163

VI.2.5.a. Critères concernant les concentrations de la solution...163

VI.2.5.b. Critères concernant le potentiel d’extraction ...165

routiers incorporant des sédiments traités NOVOSOL® ____169

VII.1.

Etude de l’essai de lixiviation (NF EN 12457-2) sur matériaux

pulvérulents ... 171

VII.1.1. Relargage et taux de dissolution des éléments ...172

VII.1.1.a. Rappel des résultats...172

VII.1.1.b. Evolution du relargage et du taux de dissolution entre les différents matériaux... ...175

VII.1.1.c. Coefficient d’interaction R1...178

VII.1.2. Analyse des facteurs influents sur le taux de dissolution ...180

VII.1.2.a. Facteurs influents ...181

VII.1.2.b. Détermination des facteurs principaux ...187

VII.2.

Etude de l’essai de lixiviation par percolation sur matériaux

monolithiques ... 189

VII.2.1. Analyse des facteurs influents sur le taux de dissolution ...189

VII.2.1.a. Taux de dissolution...189

VII.2.1.b. Facteurs influents ...192

VII.2.1.c. Détermination des facteurs principaux ...192

VII.3.

Synthèse sur la polyvalence de l’essai de percolation ... 196

Conclusion générale et perspectives __________________199

Bibliographie ____________________________________ 203

Annexes ________________________________________215

Annexe A : Propriétés générales des constituants

des matériaux traités aux liants hydrauliques ___________ 217

Annexe B : Données de la partie mécanique _____________________ 224

Annexe C : Données de la partie environnementale ________________ 228

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier la valorisation de sédiments issus du dragage de cours d’eau dans les matériaux routiers.

Les sédiments constituent un dépôt formé par la précipitation de substances d’origine minérale (érosion de sols et des roches), biologique ou organique (décomposition de matières végétales-). Le devenir des sédiments après leur dragage est une problématique actuelle compte tenu de leur volume important et surtout du risque environnemental que présente leur éventuelle contamination.

En effet, chaque année en France, six millions de m3 de sédiments sont dragués dans les 525 000 km de cours d’eau pour permettre la régularisation du tirant d’eau pour la navigation. Ces sédiments sont souvent contaminés par des rejets agricoles, industriels et urbains qui apportent des métaux lourds, substances organiques (hydrocarbures polycycliques aromatique, pesticides, solvants chlorés -), éléments nutritifs (phosphore et composés azotés-). Ces contaminations entraînent la classification des sédiments de dragage comme déchets dangereux. La valorisation de ces matériaux en l’état est risquée pour l’environnement : les polluants peuvent se libérer par instabilité géochimique lorsque les sédiments sont retirés de leur état initial dans l’eau. Par ailleurs, compte tenu de leur statut de déchets dangereux et de leurs quantités importantes, la mise en décharge de ces sédiments représente un coût important pour les exploitants des voies navigables.

Plusieurs procédés de traitements existent et permettent de rendre aux sédiments contaminés des teneurs en polluants acceptables pour le respect de l’environnement, rendant ainsi possible une éventuelle valorisation. Certaines technologies peuvent avoir des répercussions environnementales par l’intermédiaire des rejets d’eau ou de gaz, d’autres nécessitent beaucoup d’énergie ou de grands espaces.

C’est dans ce contexte que la société SOLVAY a développé le procédé NOVOSOL® qui vise

à traiter les sédiments pollués, fluviaux comme marins, en s’appuyant sur l’expérience de son procédé de traitement des cendres volantes REVASOL®. Le traitement se déroule en deux étapes : un traitement chimique avec ajout d’acide phosphorique permettant la création des phosphates de calcium fixant les métaux lourds, puis un traitement thermique afin d’éliminer la pollution organique et d’accroître la stabilité des complexes phosphate de calcium/métaux lourds.

Il est alors légitime de penser que ces sédiments traités constituent une matière première secondaire (MPS) et non plus un déchet ; une valorisation de ces sédiments traités peut alors être envisagée. Il sera toutefois nécessaire de s’assurer que ce traitement de stabilisation est efficace et que les sédiments traités présents dans un matériau de construction (matériau routier par exemple) ne présentent pas de risque environnemental : relargage de métaux lourds sous l’effet des eaux météoriques venant traverser une structure de chaussée.

Pour rendre compte de la façon dont nous avons mené à bien ce travail, ce manuscrit a été bâti en 7 chapitres. Le chapitre 1 concerne la problématique du devenir des sédiments de dragage. Ce chapitre présente la gestion des sédiments de dragage ainsi que les voies de valorisation potentielles avec le risque présenté par leur contamination. Le chapitre 2 expose la méthodologie de caractérisation des sédiments étudiés lors de cette étude. Ensuite, les chapitres 3 et 4 décrivent les différentes étapes de la validation technologique de la valorisation dans des matériaux routiers. Enfin, le développement de l’essai de lixiviation par percolation de l’eau sous pression et le comportement à la lixiviation des matériaux lors de la mise en œuvre de cet essai sont étudiés dans les chapitre 5, 6, 7.

institutionnels, industriels et universitaires. L’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) s’assure de la qualité environnementale du procédé. La société Bertin Technologie garantit l’étude de faisabilité technique et économique et coordonne les différents partenaires. Le BRGM (Bureau de Recherche Géologique et Minière) apporte son expérience à la compréhension des processus de fixation des métaux lourds d’un point de vue minéralogique. L’EMAC (Ecole des Mines d’Albi-Carmaux) travaille à l’optimisation des différentes étapes du procédé : phosphatation, séchage et calcination. L’Ecole Centrale de Lille a pour objectif la valorisation des sédiments traités dans les briques, bétons et couche de forme de la route. Le Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC)-INS/UPS de Toulouse s’intéresse à la valorisation des sédiments NOVOSOL en technique routière et à la mise au point d’un essai de lixiviation sur des matériaux réalisés. Enfin, des partenaires industriels tels que l’entreprise Eurovia ou les Briqueteries Du Nord apportent savoir-faire, expérience et moyens techniques afin de permettre le passage des solutions de valorisation de l’échelle laboratoire à l’échelle industrielle.

Chapitre I : Problématique

I.1. Gestion des sédiments de dragage... 10

I.1.1. Sédiments de dragage... 10

I.1.1.a. Nature et contamination ... 11

I.1.1.b. Méthodes de dragage et de transport... 14

I.1.1.b.1. Techniques de dragage ... 14

I.1.1.b.2. Transport des sédiments ... 14

I.1.2. Le devenir des sédiments de dragage ... 15

I.1.2.a. Procédés de traitements ... 15

I.1.2.b. Filières d’élimination... 16

I.1.2.b.1. Stockage sous eau ... 16

I.1.2.b.2. Stockage à terre ... 18

I.1.2.b.3. Valorisation ... 20

I.1.2.c. Valorisation matière en génie civil et en travaux publics ... 20

I.1.3. Conformité à la lixiviation des déchets ... 23

I.1.3.a. Critères de mise en décharge ou de valorisation ... 23

I.1.3.b. Essais de lixiviation de conformité ... 26

I.2. Evaluation du comportement à la lixiviation des sédiments ... 28

I.2.1. Méthodologie d’évaluation ... 28

I.2.2. Essais de lixiviation... 31

I.2.2.a. Essais paramétriques... 31

I.2.2.b. Essais de simulation ... 34

I.2.2.c. Essai de lixiviation par percolation sous pression ... 37

I.2.2.c.1. Principe de l’essai ... 37

I.2.2.c.2. Application ... 37

Chapitre I : Table des illustrations

Figure I-1 : Exemple d’un sédiment de dragage [Boucard, 2006]... 11

Figure I-2 : Scénarii de stockage sous eau des sédiments de dragage [AEAP, 2000] ... 17

Figure I-3 : Dépôt à terre confiné des sédiments de dragage [AEAP, 2000] ... 20

Figure I-4 : Evolution du prix des granulats (base 100 en 1995) [Mauget, 2006] ... 21

Figure I-5 : Première planche routière REVASOL® de SOLVAY à Dombasle en 2002... 22

Figure I-6 : Planche routière réalisée avec des sédiments traités NOVOSOL® à Dombasle - 2005 ... 23

Figure I-7 : Principe de l’essai de lixiviation de conformité NF EN 12457 ... 27

Figure I-8 : Scénario d’exposition de la mise en décharge ... 29

Figure I-9 : Scénario d’exposition des matériaux routiers ... 29

Figure I-10 : Influence du pH sur la concentration du Zinc relarguée des résidus des procédés thermiques – Essais au L/S 10 litre/kg [Van der Sloot et al., 2001] ... 32

Figure I-11 : Illustration de l’essai de percolation en colonne NF CEN/TS 14405 ... 32

Figure I-12 : Essai de percolation néerlandais NEN 7343 ... 33

Figure I-13 : Résultat type de l’essai de percolation [Kalbe et al., 2007] ... 33

Figure I-14 : Essai de lixiviation en batch des monolithes NEN 7375... 33

Figure I-15 : Colonne à grande échelle et lysimètre des cendres volantes [Guyonnet et al., 2007]... 34

Figure I-16 : Utilisation des résultats des essais de simulation [Guyonnet et al., 2007] ... 35

Figure I-17 : Lysimètre extérieur de cendres volantes (S = 40 m2, h = 0,5 m) [Tiruta-Barna et al., 2006] ... 35

Figure I-18 : Exemple de route instrumentée de grandeur réelle [Mauget, 2005] ... 36

Figure I-19 : Relargages du plomb aux trois échelles et par modélisation [Bröns-Laot et al., 2007].... 36

Figure I-20 : Principe de l’essai de lixiviation par percolation ... 37

Tableau I-1 : Dénomination des classes granulaires des sédiments [Schneider, 2001] ... 11

Tableau I-2 : Exemples de propriétés physiques et de composition des sédiments de dragage ... 13

Tableau I-3 : Niveaux des éléments et composés traces des sédiments marins ou estuariens [JO, 2000]... 18

Tableau I-4 : Teneurs limites en éléments-traces dans les boues [JO, 1998] ... 19

Tableau I-5 : Teneurs limites en composés traces organiques dans les boues [JO, 1998] ... 19

Tableau I-6 : Valeurs limites en matière de lixiviation applicables aux déchets admissibles dans les décharges pour déchets inertes [JOCE.L11, 2003] (L/S : rapport liquide / solide) ... 24

Tableau I-7 : Valeurs limites en matière de lixiviation sous NF EN 12457 (L/S 10) applicables aux déchets admissibles dans les décharges pour déchets inertes, non dangereux et dangereux [JOCE.L11, 2003] ... 25

Tableau I-8 : Valeurs limites pour le contenu total de paramètres organiques applicables aux déchets admissibles dans les décharges pour déchets inertes [JOCE.L11, 2003] ... 25

Chapitre I : Problématique

Les sédiments de dragage sont généralement destinés à l’abandon par l’industrie de dragage. Ils sont alors considérés comme déchets d’après la définition juridique l’article L 541-1 du Code de l’Environnement. La gestion des sédiments de dragage rentre donc dans le contexte de gestion des déchets qui comporte en général cinq stratégies d’après [Navarro, 2000] : arrêt de production ou de la diffusion du produit à l’origine du déchet, optimisation des procédés et innovation technologique, valorisation des déchets, rejet éco-compatible dans le milieu naturel, stockage dans le milieu naturel.

Dans un premier temps, nous allons nous intéresser à l’origine et à la nature générale des sédiments ainsi que les méthodes de dragage et de transports appropriés. L’état de l’art des procédures de traitements permettra de situer le procédé NOVOSOL® parmi les solutions envisagées en vue d’un rejet éco-compatible des sédiments dans le milieu naturel. Les exemples de valorisation des sédiments bruts et de sédiments traités NOVOSOL® ainsi que la conformité pour mise en décharge seront décrits. Dans un deuxième temps, les méthodes et les outils pour évaluer le comportement environnemental des déchets seront décrits ; nous présenterons à la fois les essais normalisés ainsi que le but de l’essai de lixiviation sur monolithes que nous envisageons de développer. Nous terminerons ce chapitre en exposant les grandes lignes qui ont contribué à l’orientation de l’étude.

I.1. Gestion des sédiments de dragage

I.1.1. Sédiments de dragage

Les sédiments sont les dépôts meubles qui s’accumulent au fond des lacs, des cours d’eau et des océans. Ces matières sont d’origine endogène (débris de plantes aquatiques, cadavres de microphytes ou d'animaux), d’origine exogène de type naturel (matériaux issus de l'érosion des sols, de la décomposition de la matière végétale) ou de type anthropique (rejets agricoles, industriels ou domestiques) [Schneider, 2001].

L’accumulation des sédiments fins dans les zones d’eau calme conduisent à l’envasement des cours d’eau, des canaux et des installations portuaires. Le curage constitue alors une opération de restauration, d’entretien voire d’assainissement indispensable à la prévention des risques d’inondation, au rétablissement du tirant d’eau pour la navigation, et aussi à la restauration du milieu naturel. En France, chaque année, le curage des 525 000 km des cours d’eau conduit à l’enlèvement d’environ 6 millions de m3 de sédiments fluviatiles. Le volume des sédiments marins de dragage d’entretien des ports est encore beaucoup plus important. On l’estime à environ 60 millions de m3 par an dans les ports français. Les trois principaux ports d’estuaire, Rouen, Nantes-Saint-Nazaire et Bordeaux, font état d’un volume moyen annuel de l’ordre de 25 millions de m3 tandis que les cinq grands ports maritimes Dunkerque, Calais, Boulogne, Le Havre et La Rochelle draguent un volume d’environ 6 millions de m3 par an [Alzieu et al., 1999].

La Figure I-1 présente un exemple d’un dragage des sédiments d’un cours d’eau.

a) barge et engin mécanique de

dragage b) alvéole de stockage c) sédiments asséchés

Figure I-1 : Exemple d’un sédiment de dragage [Boucard, 2006]

I.1.1.a. Nature et contamination

Un sédiment se caractérise essentiellement par sa granulométrie, sa composition minéralogique, ses teneurs en eau et en matière organique.

Les sédiments de dragage peuvent comporter plusieurs classes granulométriques (Tableau I-1). Les sédiments de canaux fluviaux des zones d’eau calmes où les courrant sont atténués contiennent en majorité les éléments fins (vases, limons et sables).

Taille Dénomination

> 20 cm Blocs

2 cm à 20 cm Galets et cailloux

2 mm à 2 cm Graviers

20 µm à 2 mm Sables (grossiers et fins)

2 µm à 20 µm Limons (ou silt)

< 2 µm Vases, boues argileuses

Tableau I-1 : Dénomination des classes granulaires des sédiments [Schneider, 2001]

La composition minérale des sédiments est différente selon leur origine (endogène, terrigène ou anthropique). Les sables et graviers sont essentiellement quartzeux (silice SiO2) ou silicatés (micas, feldspaths), souvent accompagnés de minéraux lourds (amphiboles, grenats, disthèneU) qui dépendent de la nature des sols érodés. On trouve aussi des sables calcaires. Les particules les plus fines sont composées de minéraux argileux d'origine terrigène, ainsi que de squelettes d'organismes d'origine endogène.

La proportion de matière organique dans la matière sèche des sédiments varie entre 90%, dans le cas de la tourbe, et 2% pour les sables de rivière. En général, la proportion de matière organique est de l'ordre de 2 à 10% pour les sédiments des cours en "eaux vives" et elle est constituée à 60% de composés humiques.

Contamination

Compte tenu de leur structure et de leur finesse, les sédiments sont connus pour avoir un pouvoir important de fixation des polluants. Plus de 90% des métaux lourds rejetés dans les écosystèmes sont piégés dans la matrice sédimentaire [Calmano et al., 1993]. La contamination des sédiments est principalement due aux rejets industriels et urbains. Les contaminants à l’origine de cette pollution sont généralement classés en trois grands groupes [Schneider, 2001] :

Les éléments nutritifs (notamment le phosphore et des composés azotés comme l’ammoniaque). Ils proviennent des rejets d’eaux usées urbaines et d’effluents agricoles et industriels. Ils sont à l’origine de l’eutrophisation des milieux ;

Les métaux lourds se retrouvent souvent à l’état de traces, indispensables au métabolisme pour la plupart (sauf le plomb, le mercure et le cadmium). Une fois dépassé un seuil de tolérance, les métaux sont considérés comme toxiques. Ils sont alors incompatibles avec les phénomènes vitaux et certains d’entre eux ont des propriétés cancérigènes et mutagènes. Les principaux métaux lourds sont le cadmium, le chrome, le cuivre, le plomb, le mercure, le nickel, le sélénium, l’arsenic (métalloïde) et d’autres éléments spécifiques au passé industriel du site (argent par exemple). Ils peuvent être fixés sur les particules minérales ou sur les matières organiques des sédiments.

Les micropolluants organiques représentent le troisième grand groupe de contaminants (les HAP : Hydrocarbures polycycliques aromatiques, pesticides, solvants chlorés). Ces éléments sont souvent très toxiques, solubles ou adsorbés sur les matières en suspension. Ils peuvent poser problème lors de l’extraction des sédiments.

A titre d’illustration, le Tableau I-2 présente des exemples de propriétés physiques et de composition de deux sédiments de dragage, le premier vient de la région de Lille (canal de la Marque) fourni à la société Solvay par les Voies Navigables de France (VNF), l’autre de Vraimont (canal de Charleroi en Belgique) fournit à la société Solvay par l’entreprise de dragage Ecoterres. Ces sédiments représentent deux cas extrêmes en termes de pollution métallique.

Sédiments de dragage Propriétés

Lille (France) Vraimont (Belgique)

Granulométrie [Kribi, 2005]

Fraction de sable (%) 5 7,1

Fraction de limon (%) 70,1 72,7

Fraction d'argile (%) 24,9 20,2

Total 100 100

Propriétés physiques [Kribi, 2005]

Densité 1,23 1,42

Teneur en eau (%) 69,3 53,5

pH (d’après NF X 31-103) 7,4 7,2

Composition minéralogique : quartz, calcite, mica, feldspaths [Blanc, 2001] Composition chimique [Blanc, 2001]

Majeurs Teneur en masse (%)

SiO2 48,1 64,8 Al2O3 8,6 5,5 Fe2O3 5,1 5,1 MnO 0,1 0 MgO 1,1 0,8 CaO 9,3 4,9 Na2O 0,6 0,4 K2O 1,6 1,1 TiO2 0,7 0,3 P2O5 1 0,5 SO3 2,9 0,5 Matière organique (%) 23,7 17

Mineurs Teneur en masse (mg/kg sédiment sec)

As 14,8 27 Ba 657,1 512,1 Cd 6,5 12,3 Cr 446 170,8 Cu 208,8 980,1 Pb 401,8 463,9 Ni 259,6 104,2 Zn 2325,6 1013,6

Tableau I-2 : Exemples de propriétés physiques et de composition des sédiments de dragage La contamination des sédiments et leur teneur en eau très importante de plus de 50% nécessitent un traitement préalable pour réduire leur caractère polluant et leur volume afin de pouvoir envisager une mise en dépôt ou une réutilisation.

Avant de présenter un état de l’art sur les procédés de traitement, nous allons d’abord rapidement nous intéresser aux différents modes de dragage et de transport : ceux-ci peuvent en effet expliquer l’évolution de certaines propriétés des sédiments de dragage.

I.1.1.b.

Méthodes de dragage et de transport

L’extraction et l’évacuation des sédiments sont deux phases importantes d’une opération de dragage. En effet, lors de ces phases, les sédiments subissent de nombreuses transformations pouvant modifier leurs caractéristiques et leurs comportements. Ces deux étapes peuvent aussi avoir un impact direct sur l’environnement par la remise en suspension de ces sédiments.

I.1.1.b.1. Techniques de dragage

Il y quatre principales techniques de dragage : dragage en eau, dragage hydraulique, dragage mécanique et dragage pneumatique, [AEAP, 2000].

Les dragages en eau consiste à la remise en suspension et la dispersion des sédiments par un courant naturel ou artificiellement entretenu et ils sont éparpillés ou transférés vers une zone définie. Les dragages hydrauliques utilisent des pompes centrifuges, aspirant à travers un tube d’élinde, les sédiments sous forme de boues liquides de haute teneur en eau. Les dragages pneumatiques fonctionnent sur le même principe que les dragues hydrauliques mais avec une aspiration générée par des pompes à air comprimé. Les dragages mécaniques agissent par action mécanique d’un outil (benne, godet) directement sur les matériaux à draguer.

Les dragages mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques évoqués ci-dessus peuvent être améliorés pour avoir une plus grande précision dans l’opération de dragage (le positionnement de la drague, le maintien des matériaux dragués à leur densité initiale, l’étanchéification des godets, bennes, l’isolement de la zone de dragage, l’automatisation des phases de travail U). Ceci a pour objectif de limiter le volume à draguer, la remise en suspension des contaminants. Ils sont qualifiés de dragages environnementaux.

I.1.1.b.2. Transport des sédiments

Le mode de transport des sédiments extraits est étroitement lié à la technique de dragage adoptée, la filière de destination des sédiments ainsi qu’à des contraintes environnementales. Il existe généralement les modes de transport suivants : conduites, tapis roulant, chalands, camions, trains, [AEAP, 2000].

Les conduites sont compatibles avec des dragues hydrauliques et pneumatiques du fait de la nécessaire fluidité du matériel transitant dans la conduite. Ces conduites transportent les matériaux sous l’action de pompes centrifuges ou de pompes à air comprimé. Les pompes à haute pression (système Putzmeister) peuvent être utilisées dans les cas des sédiments à teneur en eau faible pour leur transbordement via les conduites hydrauliques qui sont ensuite déchargées à terre ou dans des camions. Par ailleurs, les tapis roulants sont employés pour des matériaux issus d’une drague mécanique ou asséchés.

Les barges ou chalands peuvent être utilisés indifféremment à partir de dragues mécaniques ou hydrauliques. Ce mode de transport nécessite un tirant d’eau minimum dans le chenal de navigation pour le passage des barges.

Si la destination finale des matériaux de dragage n’est pas en bordure de port ou s’il s’agit d’une opération de dragage de petite envergure, les camions sont les moyens les plus adéquats. Ils sont plutôt conseillés pour des matériaux denses, donc issus d’une drague mécanique. Ce moyen de transport peut être très intéressant si les matériaux ont plusieurs destinations finales ou si le coût d’un traitement sur place est trop élevé. Le transport en grande quantité par train n’est retenu que dans des cas très particuliers car il nécessite une infrastructure lourde de réseau ferroviaire.

I.1.2. Le devenir des sédiments de dragage

Si les sédiments se trouvant dans l’eau peuvent être considérés comme des pièges pour les métaux lourds, ils représentent également une source potentielle de pollution lorsqu’ils ne sont plus à l’état équilibre lors de la remise en suspension ou de l’enlèvement de l’eau. Les sédiments doivent alors subir des traitements pour réduire leur volume et leur caractère polluant pour être ensuite amenés à leur destination finale : mise en dépôt ou utilisation.

I.1.2.a. Procédés de traitements

Le traitement peut être précédé d’un prétraitement : celui-ci a en général pour but de réduire la teneur en eau afin de faciliter le transport, de séparer les matériaux valorisables de ceux à intégrer dans une chaîne de traitement, à mettre en dépôt ou enfin, de trier les matériaux en différentes catégories répondant aux différents types de traitement. Parmi ces prétraitements, on peut citer : la déshydratation, la séparation par criblage ....

Le traitement consiste ensuite à réduire leur caractère polluant ; cela peut être obtenu par destruction, extraction, immobilisation ou neutralisation des contaminants. Trois voies de traitement sont présentés : biologique, physico-chimique ou stabilisation (inertage) [AEAP, 2000].

Le traitement biologique utilise des bactéries ou des champignons (ou des levures) pour accélérer la dégradation des polluants organiques (huiles et HAP). L’épandage agricole, compostage en utilisant des bio-réacteurs sont des exemples de solution ex situ. La phytoremédiation (par les plantes) apparaît aussi comme une solution envisageable in situ.

Le traitement physico-chimique s’appuie sur des interactions physico-chimiques (adsorption/désorption, oxydation/réduction, échange ionique, U) pour extraire, détruire, transformer ou immobiliser les contaminants. L’extraction des métaux lourds par lessivage à l’acide, l’utilisation des agents chimiques ayant de fortes propriétés complexantes vis-à-vis des contaminants inorganiques, lessivage à air, eau des contaminants organiques sont autant de solutions qui peuvent être citées.

Le traitement par stabilisation a pour but de fixer les contaminants dans la matière afin de les immobiliser. L’inertage à froid utilise des produits chimiques (ciment, pouzzolanes, polymères organiquesU) qui sont mélangés avec les sédiments. Les liants hydrauliques stabilisent, par exemple, partiellement certains métaux comme le chrome, le plomb, le cadmium, le zinc d’après [Conner, 1990], [Albino et al., 1996], [Wang et Vipulanandan, 2000] et le mercure alors que la chaux forme des composés peu solubles immobilisant le zinc et l’arsenic. Cette stabilisation chimique est souvent suivie par une solidification en moule pour protéger les polluants de la migration de l’eau. L’étude de relargage des métaux lourds sous des essais de lixiviation permet d’évaluer l’efficacité de ce type de traitement [Levacher et al, 2000].

Un autre traitement consiste en un inertage thermique : le produit est alors, chauffé ou totalement fondu dans un four avec additifs. Ce type de méthode cause la

Plusieurs de ces procédés de traitement existent depuis quelques années mais, actuellement la totalité des sédiments de dragage ne sont pas traités. En effet, d’après [Carpentier et al., 2002], parmi les 6 millions de m3 de sédiments fluviaux extraits chaque année, 70 % sont mis dans les sites de dépôt ou le long des canaux, 10% sont valorisés comme remblai, 7% sont destinés à l’épandage agricole. Le reste (13%) est rejeté en mer ou traité. Le faible taux de sédiments traités est dû au fait que le traitement est souvent coûteux et nécessite des installations encombrantes. Par conséquent, la quantité de sédiments valorisés est beaucoup plus faible que celle mise en dépôt. La loi française encourage pourtant la récupération de la matière en stipulant que seuls les déchets ultimes doivent être déposés en installation de stockage [JORF.162, 1992]

Le procédé de traitement NOVOSOL®

C’est donc dans ce contexte que la société SOLVAY a développé le procédé NOVOSOL® qui a pour but de traiter les deux principales propriétés polluantes des sédiments : les métaux lourds, les polluants organiques. Les résidus après traitement pourront alors être valorisés en matériaux de génie civil et en travaux publics.

Le procédé NOVOSOL® est un enchaînement de deux traitements : un traitement physico-chimique et un inertage thermique. Le traitement physico-physico-chimique consiste à immobiliser les métaux lourds dans des structures d’apatites (phosphates de calcium) par apport de d’acide phosphorique. L’inertage thermique consiste à détruire les polluants organiques par calcination à haute température (de 650 à 900°C). Cette calcination réduit également le volume de résidus à transporter et à mettre en décharge. Le procédé NOVOSOL® et les propriétés des «sédiments traités NOVOSOL®» seront présentés en détail dans le chapitre 2.

Avant d’examiner les voies de valorisation de sédiments, nous allons identifier les filières d’élimination existantes.

I.1.2.b.

Filières d’élimination

Le choix de la filière d’élimination des sédiments doit tenir compte de la conformité réglementaire, de l’impact environnemental, des conditions techniques ainsi que du coût. Les destinations de sédiments de dragage ayant été traités ou non constituent trois scénarii : stockage sous eau, stockage à terre ou valorisation.

I.1.2.b.1. Stockage sous eau

Lors d’un stockage sous eau, les sédiments sont transportés et rejetés dans le milieu aquatique, dans une zone de grande profondeur, en aval du cours d'eau curé, ou en mer (clapage). Le stockage sous eau peut se faire également dans un milieu confiné afin d’isoler les contaminants (Figure I-2).

Figure I-2 : Scénarii de stockage sous eau des sédiments de dragage [AEAP, 2000]

L’immersion en mer des sédiments marins ou estuariens est le cas représentatif de ce type de dépôt par la facilité et l’économie de la solution d’élimination. Ainsi, selon la réglementation française, l’arrêté interministériel du 14 juin 2000 [JO, 2000] précise des niveaux de référence à prendre en compte lors d’une analyse de sédiments marins ou estuariens présents en milieu naturel ou portuaire. Ces valeurs de référence concernant la teneur des éléments et composés traces dans les sédiments sont la reprise des seuils définis à l’issue d’études menées dans le cadre du groupe de travail GEODE (Groupe d’Etude et d’Observation sur les Dragages et l’Environnement) qui réunit des opérationnels de la réalisation de projets et du contrôle de la qualité de l’eau. Ces seuils caractérisent la qualité chimique du matériau et contribuent à déterminer, le cas échéant, la démarche à retenir en termes d’études et de solutions techniques en fonction de la concentration au sein d’un matériau prélevé de diverses substances. Deux seuils ont été définis correspondant à des niveaux de potentiel d’impact croissant sur un même milieu (Tableau I-3).

Sédiments stockés

a) dépôt en eau libre

b) dépôt confiné sur une ïle

Teneur (mg/kg de sédiment sec) Eléments Niveau 1 Niveau 2 Eléments traces Arsenic 25 50 Cadmium 1,2 2,4 Chrome 90 180 Cuivre 45 90 Mercure 0,4 0,8 Nickel 37 74 Plomb 100 200 Zinc 276 552 Composés traces PCB totaux 0,5 1 PCB congénère 28 0,025 0,05 PCB congénère 52 0,025 0,05 PCB congénère 101 0,05 0,1 PCB congénère 118 0,025 0,05 PCB congénère 138 0,050 0,10 PCB congénère 153 0,050 0,10 PCB congénère 180 0,025 0,05

Tableau I-3 : Niveaux des éléments et composés traces des sédiments marins ou estuariens [JO, 2000]

L’utilisation de ces niveaux sont indiqués dans le circulaire n° 2000-62 du 14 juin 2000 relative aux conditions d’utilisation du référentiel de qualité des sédiments marins ou estuariens présents en milieu naturel ou portuaire [Circulaire, 2000]. Si la teneur des polluants dans les sédiments est au-dessous du niveau N1, l’impact potentiel est en principe jugé d’emblée neutre ou négligeable. Entre le niveau N1 et le niveau N2, une investigation complémentaire peut s’avérer nécessaire en fonction du projet considéré et du degré de dépassement du niveau N1. Au-delà du niveau N2, une investigation complémentaire est généralement nécessaire car des indices notables laissent présager un impact potentiel négatif de l’opération. Il faut alors mener une étude spécifique portant sur la sensibilité du milieu aux substances concernées (test d’écotoxicité, évolution de l’impact prévisible sur le milieu,...). En fonction des résultats obtenus, l'immersion est susceptible d'être interdite et la mise en place de solutions alternatives encouragées.

I.1.2.b.2. Stockage à terre

Le dépôt des sédiments non contaminés peut se faire sur un bassin creusé dans la terre sans étanchéité particulière, il doit se situer dans une zone non inondable, facile d'accès et proche du site à curer de manière à simplifier le transport des sédiments extraits.

Contrairement à l'immersion en mer des produits de dragage, il n'existe pas de réglementation spécifique relative au dépôt à terre des sédiments et notamment à leur qualité physico-chimique. D’après [IFREMER, 2006], il est communément admis de prendre

en considération les niveaux de référence prescrits par la législation pour l'épandage des boues sur les sols agricoles qui est l’arrêté du 8 janvier 1998[JO, 1998].

L’épandage consiste à étaler sur un terrain à l’air libre et sur une épaisseur de 15 à 30 cm les matériaux dragués. L’activité biologique dégrade les composés organiques. Cette activité peut être favorisée par l’apport d’éléments nutritifs (azote, phosphate) et par un remaniement régulier du sol. L’épandage en agriculture des sédiments de dragage doit être conforme à l’arrêté du 8 janvier 1998 [JO, 1998] qui préconise des seuils limites des polluants et les prescriptions techniques d’épandage. A part les teneurs des éléments/composés traces pour les boues à épandre, il existe aussi des teneurs limites pour les sols d’accueil. Le Tableau I-4 et Tableau I-5 indique ces valeurs limites pour les teneurs traces dans les boues.

Eléments traces Valeur limite dans les

boues (mg/kg MS)

Flux maximum cumulé, apporté

par les boues en 10 ans (g/m2)

Cadmium 20 (1) 0,03 (2) Chrome 1 000 1,5 Cuivre 1 000 1,5 Mercure 10 0,015 Nickel 200 0,3 Plomb 800 1,5 Zinc 3 000 4,5 Chrome + cuivre + nickel + zinc 4 000 6

(1)15 mg/kg MS à compter du 1er janvier 2001 et 10 mg/kg MS à compter du 1er janvier 2004 (2) 0,015 g/m2 à compter du 1er janvier 2001

Tableau I-4 : Teneurs limites en éléments-traces dans les boues [JO, 1998] Valeur limite (mg/kg MS)

dans les boues

Flux maximum par les boues en cumulé, apporté par les boues

en 10 ans (mg/m2) Composés traces Cas général Epandage sur pâturages Cas général Epandage sur pâturages Total des 7 principaux PCB 0,8 0,8 1,2 1,2 Fluoranthène 5 4 7,5 6 Benzo(b)fluoranthène 2,5 2,5 4 4 Benzo(a)pyrène 2 1,5 3 2

Tableau I-5 : Teneurs limites en composés traces organiques dans les boues [JO, 1998] Le dépôt confiné des sédiments contaminés se fait dans des sites étanches et imperméables (Figure I-3) avec un système de récupération et traitement des eaux de percolation (lixiviats). Le traitement de lixiviats dépend des concentrations en contaminants obtenues dans le rejet, et du milieu récepteur des effluents (cours d’eau, bassin portuaire).

a) dépôt à terre b) alvéole étanche Figure I-3 : Dépôt à terre confiné des sédiments de dragage [AEAP, 2000]

Dans le cas où des sédiments sont destinés à l’abandon, ils sont alors considérés comme des déchets dans le sens de l’article L 541-1 du Code de l’Environnement et des directives européennes relatives aux déchets [JO.L194, 1975], [JO.L078, 1991]. Les boues de dragage contenant des substances dangereuses sont classées sous les codes 17 05 05* dans la classification des déchets suivant le décret français n° 2002-540 du 18 avril 2002 [JORF.93, 2002] - l’astéristique (*) identifie un déchet dangereux. Le stockage de tels sédiments doit être conforme à la directive concernant la mise en décharge des déchets [JOCE.L182, 1999] et aux critères et procédures d’admission dans les décharges [JOCE.L11, 2003] en termes de composition en matière organique et de lixiviation. Nous allons regarder ces critères dans la partie de conformité I.1.3.

I.1.2.b.3. Valorisation

La valorisation consiste dans "le réemploi, le recyclage ou toute autre action visant à obtenir, à partir des déchets, des matériaux réutilisables ou de l’énergie" [JO.75-633, 1975]. Cette filière d’élimination est favorisée par la loi française pour que seuls les déchets ultimes soient conservés en installation de stockage [JORF.162, 1992]. Les déchets ultimes se définissent, selon le code de l’Environnement Article L-541-1–III, come «Déchet, résultant ou non du traitement d’un déchet, qui n’est plus susceptible d’être traité dans les conditions techniques et économiques du moment, notamment par extraction de la part valorisable ou par réduction de son caractère polluant ou dangereux». Les exemples de valorisation matière seront présentés dans la partie suivante.

I.1.2.c. Valorisation matière en génie civil et en travaux publics

La valorisation des sédiments est souvent envisagée dans les matériaux de génie civil (mortier, béton) ou en travaux publics (remblais, couches de forme, assises de chausséeU) grâce aux propriétés assimilées à celles des matières premières (liant, sol, sable).

L’intérêt d’envisager ces voies de valorisation réside d’abord dans la demande importante en matières premières dans le secteur du BTP : celle-ci est en effet estimée 4,8 tonnes/habitant/an. De plus, leur prix augmente chaque année comme le montre la Figure I-4. On comprend dès lors que la possibilité de substitution totale ou partielle de granulats traditionnels par des sous-produits à prix bas est fortement encouragée.

Figure I-4 : Evolution du prix des granulats (base 100 en 1995) [Mauget, 2006]

Le large éventail de technique et de qualité acceptables pour les matières premières dans le secteur de la construction et des travaux publics permet à un sous-produit de trouver plus facilement un réemploi. Dans le bâtiment, ces sous-produits peuvent être utilisés pour la fabrication de briques, de mortiers, de bétons de toutes classes de résistance. Dans la route, ils peuvent être utilisés en tant que matériaux pour remblais, couches de forme, assises de chaussées non traités ou traités. Les déchets remplacent ainsi une partie de matériaux traditionnels. Selon les propriétés des sous-produits, trois usages sont possibles : liants, primaire de fabrication, granulats.

Les sous-produits ayant des propriétés hydrauliques ou pouzzolaniques peuvent être utilisés en tant que liant ; c’est notamment le cas des laitiers de hauts fourneaux provenant du traitement des minerais de fer; des cendres volantes silico-alumineuses provenant de la combustion de houille ou des cendres sulfo-calciques issues de celle du lignite [Berthier, 1992b]. De nouvelles cendres, issues de procédés de désulfuration, cendre à sulfite de calcium [Husson, 1991] ou cendres silico-calciques rentrent également dans cette catégorie [Delsol, 1995]. Lorsque les sous-produits sont considérés comme inertes, leur utilisation peut alors être envisagée en tant que granulats. Les techniques routières, compte tenu du volume important potentiellement utilisable, constitue une voie privilégiée ; les mâchefers d’incinération d’ordures ménagères (MIOM) en sont un exemple. La mise en application de la valorisation des MIOM a fait l’objet d’une circulaire en permettant l’utilisation [Circulaire, 1994] et a été publiée dans des guides techniques tels que celui d’Ile de France [Cimpelli et al. 1998].

Lors de ces travaux, nous nous sommes également appuyés sur les résultats obtenus au cours d’un projet antérieur au projet NOVOSOL®, que la société Solvay avait développé : le procédé REVASOL® ; ce procédé, sensiblement analogue, avait été appliqué à des cendres volantes d’incinération d’ordures ménagères. L’utilisation de ces dernières traitées par le REVASOL® avait été validée en tant qu’additions dans des bétons [Aubert, 2002], mais surtout, en remplacement de 15% de sable dans la composition d’une grave routière traitée aux liants hydrauliques dans une planche routière construite par la société Eurovia sur le site de l’usine Solvay à Dombasle (Figure I-5).

Figure I-5 : Première planche routière REVASOL® de SOLVAY à Dombasle en 2002

En ce qui concerne les sédiments de dragage, les sédiments non contaminés peuvent être directement utilisés pour le réglage ou le maintien des berges. Les sédiments peuvent être utilisés comme remblais pour un aménagement ou pour combler d’anciennes carrières ou mines. Dans ce cas, il faut que les sédiments possèdent des caractéristiques géotechniques compatibles avec le projet d’aménagement, et des qualités physico-chimiques compatibles avec la réglementation opposable.

Les sédiments peuvent également être mélangés avec les matières traditionnelles dans des proportions de 10 à 12% pour la fabrication du clinker par voie humide d’après l’étude de [Dalton et al., 2004]. Les oxydes principaux dans les sédiments tels que SiO2, Al2O3, Fe2O3 et CaO font partie de la composion du clinker. Cependant, les conditions de fabrication doivent encore être développées pour améliorer le produit fini.

Les briques peuvent aussi fabriquées à partir des sédiments. Dans l’étude de [Hamer et Karius, 2002], un mélange de 50% de sédiment de dragage, de 10% de briques broyées et 40% d’argile donne des briques satisfaisant à la norme allemande. Mais la teneur en eau importante des sédiments humides demande des adaptations particulières de la procédure par rapport aux matériaux traditionnels. L’utilisation de sédiments de dragage en couche de forme de route a été étudiée par [Colin, 2003] [Levacher et al., 2006]. L’étude a montré qu’il fallait augmenter le dosage du ciment jusqu’à 12% au moins pour que la résistance mécanique des sols traités réponde au critère de traficabilité (Rc ≥ 1,0 MPa), ce qui ne pouvait donc pas être envisagé pour des raisons économiques. Ceci est dû à la surface spécifique importante des matériaux fins, à la faible compacité, et à la présence d’une fraction organique jouant un rôle d’écran et générant également une forte rétention d’eau. L’utilisation d’un sable correcteur granulaire en proportion 30%/70% sédiments donne une formulation satisfaisante vis-à-vis du critère de résistance à court terme mais le comportement mécanique à long terme reste encore à justifier.

Les sédiments de dragage traités par le procédé NOVOSOL® ont fait l’objet de plusieurs études de valorisation en travaux publics et bâtiment. Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des briques de 28% de sédiments sans aucun changement de processus de fabrication [Samara, 2007]. L’utilisation en tant que granulats dans différentes proportions dans les mortiers et dans les bétons est également envisageable si l’on se limite à des critères de résistances mécaniques [Agostini, 2006], [Boucard, 2006], [Blanc, 2001]. L’introduction de 12% des sédiments traités NOVOSOL® en substitution du sable conduit à l’augmentation de la résistance en traction des graves traitées aux liants hydrauliques [Amba, 2003]. Les sédiments traités NOVOSOL® ont également été introduits dans une deuxième planche routière à Dombasle en substitution de 30% de sable dans un sable traité aux liants

hydrauliques de l’assise de chaussée (Figure I-6). C’est donc cette voie de valorisation que nous avons privilégiée.

Figure I-6 : Planche routière réalisée avec des sédiments traités NOVOSOL® à Dombasle - 2005

La valorisation des sous-produits constitue donc une mesure pour préserver les ressources naturelles, les paysages et les écosystèmes en diminuant le nombre de carrières et de gravières. L’espace et le coût de stockage sont également économisés. Cependant, il faudra souvent concilier les freins techniques concernant l’aspect technologique (transport, facilité de réalisation, modification de la procédure, l’entretien) et l’aspect durabilité (qualité, pérennité de l’ouvrage). D’ailleurs, des méthodes de valorisation doivent clairement être prescrites pour chaque type de sous-produits dans les normes ou des guides à l’usage des utilisateurs.

Enfin, la prise en compte de l’« impact environnemental » des matériaux renfermant des sous-produits constitue une étape primordiale en vue d’une utilisation des déchets. En effet, il est indispensable de s’assurer que les flux de matière relargués (gaz, eau, solide) des ouvrages sont éco-compatibles avec le milieu environnant. Cet impact peut se trouver à plusieurs niveaux : la sécurité et l’hygiène des utilisateurs, le transfert des polluants vers l’environnement de l’ouvrage et impact de ces polluants sur le milieu. En ce qui concerne la limitation du transfert et son impact, la réglementation française actuelle préconise des critères en matières de lixiviation des déchets qu’on va aborder dans la partie suivante.

I.1.3. Conformité à la lixiviation des déchets

I.1.3.a. Critères de mise en décharge ou de valorisation

La législation actuelle prévoit des critères bien définis pour la mise en décharge mais, hormis quelques applications bien précises tels que les mâchefers d’incinération d’ordures ménagères (MIOM), elle reste lacunaire pour permettre « une valorisation matière » de déchets ou sous produits dans des conditions satisfaisantes.