Caractérisation environnementale de matériaux de construction à l'aide de nouvelles normes de lixiviation : étude expérimentale et numérique

Environmental characterization of building materials using new leaching standards : an experimental and numerical study

• Auteur / Autrice : Martial Clavier
• Direction : Salima Aggoun, Khadim Ndiaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 24/06/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine de Brauer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salima Aggoun, Khadim Ndiaye, Christine de Brauer, Yannick Mamindy-Pajany, Fabienne Baraud, Mahfoud Benzerzour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yannick Mamindy-Pajany, Fabienne Baraud

Mots clés

Mots clés libres

Lixiviation

Produits de construction

Granulats naturels

Granulats recyclés

Béton

Modélisation

Leaching

Construction products

Natural aggregates

Recycled aggregates

Concrete

Modelling

Résumé

Avec le développement de l'économie circulaire dans le domaine de la construction, des matériaux alternatifs ont émergé à partir de sous-produits industriels et de déchets, ce qui permet de compléter l'offre en matériaux naturels traditionnels. Cependant, leur utilisation nécessite de garantir qu'ils ne libèrent pas de substances nocives lorsqu'ils entrent en contact avec l'environnement. Dans ce but, des efforts ont été réalisés en Europe ces dernières décennies pour développer des normes de lixiviation dont la durée de l'essai est censée représenter le comportement à long terme des produits de construction, lesquelles ont récemment été publiées. En parallèle, en France, des guides d'acceptabilité environnementale ont été publiés pour évaluer les performances environnementales des matériaux alternatifs utilisés dans la construction routière, s'appuyant principalement sur un essai rapide de lixiviation en batch NF EN 12457. Les différences entre les nouvelles normes européennes d'essai et cette norme de lixiviation en batch soulèvent un besoin de l'industrie de s'adapter.Cette thèse se propose d'examiner les résultats des nouveaux essais européens sur une gamme de matériaux de différentes natures et de chercher à raccourcir ces essais tout en maintenant une bonne fiabilité. La mise en place des essais et leur validation a d'abord été effectuée. Quarante-trois échantillons granulaires (naturels, recyclés, provenant de MIDND et de sédiments) de granulométries variées et dix-neuf produits monolithiques liés (béton, enrobé et MTLH) composés d'au moins un des granulats étudiés ont été caractérisés dans ces travaux par des essais de percolation à courant ascendant, de lixiviation dynamique des surfaces et/ou de lixiviation en batch. Plusieurs essais de caractérisations physico-chimiques ont été réalisés, dans le but de mieux expliquer certains mécanismes de relargage : digestion acide, MEB-EDX, DRX, essai de pH-dépendance. Enfin, une étude de corrélations empiriques entre les résultats des essais de lixiviation, et le développement d'un modèle de couplage géochimie-transport à l'aide du logiciel GEMS ont été effectués dans le but de fournir des outils pour raccourcir les essais de lixiviation. L'exploitation des résultats obtenus montre l'existence de tendances dans le relargage des substances nocives recherchées, et parfois dans leurs mécanismes de relargage, selon la nature du matériau. La granulométrie exerce une influence sur le comportement à la lixiviation, tandis que l'ajout de liant à un granulat a souvent un effet inhibiteur sur le relargage depuis ce dernier, mais induit parfois de nouveaux relargages. Des différences d'action dans la limitation des relargages depuis les granulats par les liants hydrauliques et les liants hydrocarbonés ont été mises en évidence. Les corrélations établies permettent de fournir des outils pour justifier l'utilisation d'un essai rapide de contrôle de production qui peut être soit l'essai de lixiviation en batch, soit une version plus courte des essais européens en remplacement de ces derniers. Enfin, les modèles développés prédisent correctement le relargage de certaines substances mais nécessitent une étude plus approfondie dans le but de les améliorer.

With the development of the circular economy in the construction sector, alternative materials have emerged from industrial by-products and waste to reduce the use of traditional natural materials. However, their use requires ensuring that they do not release harmful substances when in contact with the environment. To this end, efforts have been made in Europe in recent decades to develop leaching standards adapted to construction products, recently published. In parallel, in France, environmental acceptability guidelines have been published to assess the environmental performance of alternative materials used in road construction, mainly based on the batch leaching standard EN 12457. The differences between the new European test standards and this standard used in France raise a need for the industry to adapt. This thesis aims to examine the results of the new European tests on a range of French materials of different natures and to seek to shorten these tests while maintaining good reliability. The setup of the tests and their validation was first carried out. Forty-three granular samples (natural, recycled, from MIDND, and sediments) of various grain sizes and nineteen monolithic products (concrete, asphalt, and MTLH) composed of at least one aggregate studied alone were characterized in this work by ascending current percolation tests, dynamic surface leaching, and/or batch leaching. Several physico-chemical characterization tests were conducted to better explain certain leaching mechanisms: acid digestion, SEM-EDX, XRD, pH-dependent test. Finally, a study of correlations between the results of leaching tests, and the development of a geochemistry-transport coupling model using the GEMS software were carried out to provide tools for shortening the tests. The results obtained show the existence of trends in the release of regulated hazardous substances, and sometimes in their release mechanisms, depending on the nature of the material. Particle size has an influence on leaching behavior, while adding binder to an aggregate often inhibits leaching from it, but sometimes induces new releases. Differences in the action of limiting releases from aggregates by hydraulic binders and hydrocarbon binders have been highlighted. The established correlations provide tools to justify the use of either batch leaching tests or short versions of European tests as replacements for the latter. Finally, the developed models correctly predict the release of certain substances but require further study to improve them.