La valorisation matière des déchets dans les matériaux du BTP : innover

Depuis sa création en 1988, le LERM est reconnu pour ses activités de laboratoire, de conseil et d'innovation liées à la caractérisation des matériaux de construction et de leurs pathologies. Aujourd'hui, le LERM est également devenu un acteur de la valorisation matière de sous-produits industriels. La connaissance des liants et plus généralement des matériaux minéraux a permis de développer un pôle d'expertise original : la recherche de solutions techniques de traitement des déchets minéraux (résidus de procédés thermiques, boues minérales…) en vue de leur stockage et/ou de leur réutilisation dans les matériaux du BTP.
C'est cette démarche de recherche et d'innovation que nous développons dans ce dossier.

Depuis presque 20 ans, le LERM est reconnu pour ses travaux dans le secteur du bâti ancien et du BTP. La caractérisation des matériaux et le diagnostic de leurs pathologies sont le cœur d'activité du laboratoire. Parallèlement, le LERM a toujours eu une vocation de Recherche et d'Innovation dans le développement de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques d'essais. Grâce à cette connaissance des matériaux minéraux, le LERM a su développer de nouvelles compétences dans le traitement des déchets.

Depuis le milieu des années 90, face à des exigences réglementaires croissantes, les industriels sont de plus en plus incités à développer des solutions de valorisation et faire des déchets produits des "matières premières secondaires". La stabilisation et/ou la valorisation à l'aide des liants hydrauliques est une des principales techniques existant à l'heure actuelle.

Le but de cette démarche est clair : réduire les coûts d'élimination des déchets, soit en obtenant un " déclassement " pour la mise en centre de stockage, soit en les réutilisant sous de nouvelles formes dans les matériaux du BTP et ainsi trouver une " seconde vie " à des résidus de production en économisant les ressources naturelles.

Cette technique de traitement par les liants hydrauliques est plus particulièrement adaptée aux déchets minéraux, dont les caractéristiques physico-chimiques leur confèrent parfois des propriétés exploitables comme un pouvoir pouzzolanique ou hydraulique, ou encore une finesse particulière. On peut rappeler la pratique ancienne (aujourd'hui reconnue et toujours d'actualité) d'addition aux ciments de cendres volantes, de fumées de silice ou de laitiers de hauts-fourneaux par exemple, considérés il y a quelques années encore comme des résidus de production. Ils sont devenus de véritables matériaux permettant d'améliorer la qualité et/ou la vitesse d'hydratation du liant dans un béton. Aujourd'hui, d'autres " sous-produits " font l'objet d'études et de recherches afin d'identifier des voies de valorisation pérennes. Ces composés présentent des caractéristiques particulières, qui peuvent s'avérer problématiques dans un contexte de valorisation (gonflement, problèmes de prise…) et limiter leur réemploi. Ce sont ces " incompatibilités " que le LERM tente de contourner dans les programmes de recherche industrielle qu'il mène, afin de limiter au maximum leur impact.

Les déchets et sous-produits étudiés : résidus de procédés thermiques (cendres, MIOM*, REFIOM**), boues minérales (métalliques, de papeterie, de lavage…), résines échangeuses d'ions, sous-produits des industries chimiques, sidérurgiques, métallurgiques…

*MIOM : mâchefer d'incinération d'ordures ménagères
**REFIOM : résidu d'épuration des fumées d'incinération d'ordures ménagères

Etablir le cadre de recherche

Le cadre de recherche est souvent défini en fonction du gisement du déchet ou du sous-produit et des moyens disponibles.

Le gisement
Nature du gisement : quel est le type de déchet ? Par quel process de fabrication est-il obtenu ? Quels sont les volumes à traiter ? Quelles sont les conditions de stockage (durée, volume, exposition…) ? Ont-elles une influence sur la composition du déchet, son homogénéité, son évolution dans le temps, (oxydation, lixiviation, teneur en eau…) ?

Localisation : le transport représente généralement une part importante du coût de la valorisation. La proximité d'unités de traitement et/ou des débouchés commerciaux potentiels sont à envisager dès le démarrage de l'étude.

Les moyens
Quels sont les moyens financiers disponibles pour la mise en place d'une nouvelle filière, pour l'étude en laboratoire et les essais pilotes ? Quel est le temps disponible pour trouver une nouvelle solution ? Quels sont les partenaires potentiels du projet (producteur, applicateur, collectivité locale…) ? Quels sont les moyens techniques disponibles (pilote, planches d'essais…) ?

Définir les objectifs de l'étude

Le développement d'une solution technique de valorisation entre dans un contexte industriel spécifique. Le programme d'étude doit être bâti en fonction de ce contexte et certaines questions préalables sont à poser :

Existe-t-il un domaine d'application bien identifié ? Recherche-t-on le développement d'une solution générale ou à l'échelle locale ? Vise-t-on une diminution du volume des déchets produits ? Recherche-t-on l'optimisation d'un process existant pour augmenter sa valeur ajoutée ? Quels sont les risques pour l'environnement ? Quelles sont les exigences réglementaires ?

Identifier les contraintes

Les contraintes techniques
Les sous-produits d'une même famille présentent des caractéristiques communes mais chaque process de fabrication est unique et génère des composés spécifiques. Les paramètres de production et les conditions de stockage sont des facteurs d'hétérogénéité qui peuvent limiter les pistes de développement.

Les contraintes financières
Le financement de ce type de projet est souvent une contrainte forte. Le LERM peut accompagner son client dans la recherche de financements extérieurs, par les différents systèmes d'aides à l'innovation, ou proposer des programmes par étapes.

Les contraintes réglementaires et environnementales
Chaque projet s'inscrit dans un contexte réglementaire spécifique avec des exigences plus ou moins précises concernant la protection de l'environnement. La réglementation sur les déchets et leurs applications reste récente et évolue régulièrement, Des échanges avec les institutions concernées (ADEME, DRIRE…) peuvent être intéressantes pour anticiper au mieux les évolutions à venir et ainsi s'assurer de la cohérence de la démarche dans le temps.

Définir un programme d'étude et de recherche

Caractérisation du déchet ou du sous-produit en laboratoire
Le programme de caractérisation du déchet est adapté aux objectifs de l'étude. Il a pour but de compléter et d'approfondir les données existantes et permet de connaître le déchet en tant que matériau.
Il s'agit de connaître sa composition chimique et minéralogique et d'identifier sa problématique environnementale.

Analyse élémentaire par ICP	La composition minéralogique peut-être déterminée à l'aide de la technique de diffraction des rayons X et de l'analyse thermogravimétrique

Ces analyses, couplées à des essais de lixiviation permettent de la définir : relargage de sulfates, chlorures, métaux lourds, polluants organiques…

Des essais sont également réalisés pour connaître les propriétés physiques du déchet : densité, teneur en eau, granulométrie, tenue au compactage…

L'étape de caractérisation a également pour objectif de rechercher d'éventuelles propriétés spécifiques comme par exemple une réactivité potentielle du " matériau " : hydraulicité, pouzzolanicité…

Développement des formulations
Le LERM est spécialisé dans l'étude des matériaux de construction, et notamment des bétons et des liants hydrauliques. La formulation de nouveaux types de matériaux est un des principaux axes de recherche du laboratoire. C'est sur ces compétences que cette étape repose.
La première phase étudie le mode de préparation et/ou de prétraitement éventuel avant l'incorporation dans une matrice liante. En s'appuyant sur les résultats d'essai, sont déterminés :

	La nature des liants à utiliser et leurs dosages
	Les différents taux d'incorporation de déchets dans la matrice liante
	L'utilisation d'additions ou d'adjuvants spécifiques pour obtenir les propriétés désirées

Les propriétés fondamentales de ces formulations seront mesurées sur une série d'éprouvettes témoin :

	Prise, rhéologie, comportements aux jeunes âges
	Propriétés physiques (densité, porosité, perméabilité…)
	Résistances mécaniques
	Stabilité dimensionnelle (mesures de retrait et de gonflement)
	Etc…

Les résultats de ces tests permettent alors d'orienter les recherches vers un modèle de formulation, base pour la phase d'optimisation.

Enfin, l'aspect durabilité est toujours un critère essentiel d'étude. A partir de l'analyse du comportement du nouveau matériau (physique, mécanique, environnemental), une étude des mécanismes et des interactions physico-chimiques est souvent prévue pour comprendre les phénomènes en présence, afin de s'assurer de la bonne tenue dans le temps de ce matériau. Elle s'appuie sur la réalisation d'essais de veillissement accéléré et d'analyses microscopiques, minéralogiques et microstructurales.

Les résultats de ces tests permettent alors d'orienter les recherches vers un modèle de formulation, base pour la phase d'optimisation.

Mise en évidence d'un gonflement lié à la formation d'ettringite

Mise en évidence d'un gonflement lié à la formation d'un gel alcali-siliceux

Validation technique et environnementale
Elle s'appuie directement sur le contexte normatif et réglementaire concernant le nouveau matériau et les organismes concernés (ADEME, DRIRE, collectivités…). Cette validation est réalisée en laboratoire et/ou sur chantier ou pilote industriel.