Brevet FR2742431A1 — publié le 19970620

L'invention concerne un procédé d'élaboration de granulats utilisables pour la construction à partir de mâchefers enrobés avec un liant hydraulique. On appelle mâchefers, les scories provenant d'une combustion ou résidus obtenus après incinération, notamment des ordures ménagères. Le terme de "construction" est utilisé ici dans un sens très général qui englobe son application dans le génie civil, le bâtiment, les routes, etc... Pour tenir compte des contraintes de l'environnement, l'utilisation d'un liant tel que de la chaux, du ciment ou du bitume permet de piéger des résidus tels que suies et cendres. Ainsi l'immobilisation par le bitume des constituants polluants se fait par micro-encapsulage hermétique des granulats, et évite tout échange avec le milieu extérieur. I1 a été proposé de substituer des mâchefers à des graviers naturels pour la réalisation de routes. Les mâchefers peuvent être utilisés en substitution d'un granulat conventionnel dans une certaine proportion. Toutefois, des essais sur les performances physiques et mécaniques montrent que dans des couches de roulement réalisées avec des mâchefers contenant du verre, enrobés dans du bitume, les pellicules d'asphalte se détachent des particules de verre du mélange. La cause d'un tel phénomène pourrait être l'action des pneus, de l'eau ou une liaison insuffisante entre les mâchefers et le bitume. Une telle utilisation pour les couches de roulement n'est donc pas possible. Un autre procédé a été proposé, utilisant des résidus d'incinération constitués de 82% de mâchefers et 18% de suie et cendres. Pour stabiliser l'ensemble on ajoute 10 à 12% de ciment; ce pourcentage est nécessaire pour assurer l'inertage des résidus. Ce processus montre que l'addition d'une grande quantité de ciment a une place primordiale pour la qualité du produit obtenu. Le brevet EP-A 1-0.582.008 décrit un procédé de fabrication de granulats à partir de résidus d'incinération. Ce procédé nécessite un pourcentage de ciment très élevé. Par ailleurs, le brevet EP-A1-549.492 indique les faiblesses de la plupart des traitements des mâchefers par des liants hydrauliques. La prise du liant est délicate en raison des polluants contenus dans les mâchefers. Les éléments perturbateurs qui peuvent être accélérateurs ou retardateurs sont mis en évidence. Par ailleurs, si le mélange est trop pauvre en ciment, ou s'il est mal malaxé, la réaction des éléments perturbateurs avec le liant peut ne commencer qu'après plusieurs mois et provoque alors des gonflements inattendus de l'enrobé. Ces perturbations peuvent donc affaiblir la coquille d'enrobage formée autour des mâchefers. La technique décrite dans ce document antérieur vise à inerter toutes sortes de résidus et parmi eux des éléments polluants contenus dans les mâchefers d'incinération. C'est avant tout un procédé de stabilisation des résidus. Le brevet FR-2.689.120, enfin, décrit un procédé de valorisation des mâchefers d'une taille inférieure à 40 mm. Ces mâchefers sont inertés par un procédé comportant deux étapes: - le mélange de l'ensemble des éléments du mâchefer avec un liant hydraulique par malaxage, - le compactage énergique avant la prise du produit obtenu. Le but de l'invention est de proposer un procédé d'élaboration de granulats à partir de mâchefers, permettant la récupération et l'utilisation de ceux-ci en toute sécurité. Plus précisément, le but de l'invention est d'obtenir à partir de mâchefers, un granulat élaboré ayant les qualités chimiques et mécaniques requises en vue d'une utilisation dans des couches d'enrobés à chaud (grave-bitume, bétons bitumineux) ou à froid (grave-émulsion; bétons bitumineux à froid), dans des bétons hydrauliques, dans des assises de chaussée, dans des parpaings et d'une façon générale en substitution a des granulats utilisés dans les métiers de la construction. Un autre but de l'invention est un procédé permettant d'améliorer les qualités chimiques et mécaniques du granulat élaboré a partir des mâchefers 4/10 de rmm. Ce granulat ainsi obtenu répond aux normes de potentiel polluant (NF X31-210 respectant l'environnement et la protection de la nature), mécanique (NF P18-572, essai d'usure Micro-Deval; NF P18-573, essai de fragmentation aux chocs Los Angeles); normes inclues dans la norme P18-101, pour une utilisation en infrastructure routière. Ce granulat doit répondre par ailleurs à la circulaire du Ministère de l'Environnement français N 94-IV- 1. La circulaire 94-IV-1 spécifie qu'il faut séparer les mâchefers des produits obtenus après épuration des fumées; éléments obtenus par incinération des déchets ménagers. Les mâchefers sont ainsi classés en trois catégories: v - valorisable, M = maturation, S = stockage. Ces catégories sont définies par le tableau des caractéristiques concernant le potentiel polluant: TABLEAU I " Potentiel polluant" Mâchcfers à faible fraction Mâchefers intermédiaires. Mâchefers avce forte Caractéristiques lixiviable. dits de catégorie dits de catégoric "M" fraction lixiviable. dits de "V" catégorie "S" Taux d'imbrûlés 5% 5% 5% Fraction soluble 5% 10% 10% POTENTIEL Hg 0,2 mg/kg 0,4 mg/kg 0,4 mg/kg Pb 10 mg/kg 50 mg/kg 50 mg/kg Cd 1 mg/kg 2 mg/kg 2 mg/kg As 2 mg/kg 4 mg/kg 4 mg/kg Cr 1.5 mg/kg 3 mg/kg 3 mg/kg SO@ 10000 mg/kg 15000 mg/kg 15000 mg/kg COT 1500 mg/kg 2000 mg/kg 2000 mg/kg COT Carbone Orgamque Total D'après cette circulaire, les applications de ces différents mâchefers sont les suivantes: - Les mâchefers V sont valorisables pour la construction routière ou autre application semblable après déferraillage et criblage. - Les mâchefers M peuvent être valorisés si les caractéristiques le permettent après une maturation. Ils peuvent être notamment utilisés avec un liant hydraulique. Ces mâchefers ainsi traités, pour être valorisables seront dits stabilisés. - Les mâchefers S ayant une forte fraction lixiviable seront regroupés dans des installations de stockage permanent. L'invention est destinée à l'utilisation des mâchefers exploitables par exemple des catégories V et M sélectionnés à partir des mâchefers bruts. Elle apporte les avantages suivants. Elle permet une substitution des graviers naturels par des granulats enrobés à partir de mâchefers. Elle permet d'inerter des produits légèrement toxiques en quantité de plus en plus importante du fait des besoins croissants de la population. Elle respecte la protection de la nature et de l'environnement. Enfin, elle présente un caractère économique par une utilisation optimum de liants. A cet effet, l'invention concerne un procédé d'élaboration de granulats de construction à partir de mâchefers. Selon l'invention, le procédé d'élaboration des granulats comprend les étapes suivantes: - criblage des mâchefers, - caractérisation des mâchefers criblés, - prémouillage des mâchefers caractérisés, - enrobage des mâchefers caractérisés avec un liant hydraulique. Un apport important de ce procédé parait résider dans le choix d'une technique d'élaboration, d'un dosage en eau et en liant permettant l'obtention d'un granulat et non d'un béton. La Figure 1 est un exemple représentant un procédé complet de l'obtention des granulats à partir des mâchefers conformes à l'invention. Les mâchefers bruts se présentent sous la forme de grave très humide contenant de nombreux éléments métalliques et débris de verre au milieu de scories plus ou moins friables qui ne sont pas utilisables directement. On peut donner à titre d'exemple le tableau suivant représentant une composition moyenne des mâchefers (pourcentage en poids). TABLEAU II Phases majeures Perte au feu= 0,82 Perte au feu = 0 SiO2 57,63 58,11 CaO 14,55 14,67 Nua203 7,51 7,57 A12 3 5,67 5,71 P205 1,06 1,06 MgO 2,27 2,29 K2O 0,86 0,87 S03 0,36 0,36 TiO2 0,48 0,49 MnO 0,10 0,10 Cr2O3 0,08 0,08 I1 ressort de ce tableau, que ces mâchefers comportent un fort pourcentage de SiO2 représentatif de la forte proportion de verre et la présence de chaux CaO. Les éléments métalliques aluminium et fer sont présents en quantité significative. Parmi les éléments polluants, seul le chrome apparait avec une proportion de 0,08% Les mâchefers bruts 1 objet de ce procédé, sont sélectionnés après une analyse du taux d'imbrûlés 21 et du potentiel polluant 12. Selon la réglementation française actuelle, ils appartiennent à l'une des catégories V ou M définies plus haut. La taille de leurs éléments peut varier de 1 à 10 cm. Ils ont été au préalable scalpés (séparés des éléments grossiers), déferraillés par des moyens magnétiques, puis triés (les mâchefers S ne sont pas utilisables). Le préconditionnement est donc fait d'une manière courante. L'opération de criblage 2 représente une étape permettant de calibrer les éléments retenus après avoir effectué un broyage 3 éventuel de ceux dont la taille est trop importante. Le criblage 2 est effectué à l'aide d'un tamisage mécanique sous eau avec des moyens à maille de 10 mm, puis de 4 mm. Les éléments tamisés sont mis en tas permettant ainsi le ruissellement de l'eau excédentaire. Un stockage éventuel, avant utilisation, est effectué en lieu sec et abrité. Cette opération de criblage 2 est généralement effectuée après un essorage préalable des mâchefers 1. La caractérisation physique 7 et chimique 11 permet de déterminer les pourcentages en eau et en liant hydraulique à utiliser dans l'enrobage 14. Les mâchefers caractérisés 23 sont prémouillés 13 avec une quantité d'eau définie en fonction de leur coefficient d'absorption 8. La teneur en eau pour l'enrobage 14 aux liants hydrauliques doit être contrôlée. Pour en assurer la maîtrise, ces mâchefers 23 sont avantageusement séchés, puis saturés par introduction d'une quantité d'eau déterminée. La saturation des mâchefers assure la bonne hydratation du ciment et évite que l'eau introduite lors de l'enrobage 14 participe à la saturation des mâchefers non encore saturés au lieu de participer à l'enrobage 14. Ce prémouillage 13 est effectué de préférence dans un premier malaxeur. La technique de mélange des trois composants (mâchefers caractérisés 23, eau, liant hydraulique assure l'obtention d'un enrobage 14 de qualité des granulats 17. Pour prendre en compte l'inertie du phénomène d'hydratation, les mâchefers caractérisés 23 ont fait l'objet d'un prémouillage 13 avec une quantité d'eau représentant de préférence 3 à 10% en poids desdits mâchefers 23 pendant une certaine durée pouvant être d'un jour et ont été placés dans un endroit de préférence étanche jusqu'à l'opération suivante. Les mâchefers préhydratés 25 peuvent être stockés pendant au moins un jour avant l'enrobage 14. L'enrobage 14 a pour effet de diminuer la surface spécifique des granulats 17, ce qui diminue la lixiviation 20 de leur potentiel polluant 12 et d'autre part augmente la solidité mécanique des granulats 17. L'étape suivante consiste à enrober les mâchefers préhydratés 25. Le liant hydraulique est du ciment en général. Le dosage en eau est au moins égal à 3% en poids des mâchefers 23. Le dosage en liant est au moins égal à 3% en poids des mâchefers 23. Les mâchefers préhydratés 25 et le liant hydraulique sont placés en plusieurs couches successives dans la cuve d'un deuxième malaxeur. Ainsi, dans le procédé de l'invention, la poudre de ciment se colle sur les grains de mâchefers préhydratés 25 et constitue une coquille d'enrobage. La maîtrise du dosage en eau assure l'optimisation du résultat obtenu par le procédé. On peut être amené à corriger la quantité d'eau absorbée par les mâchefers 25. En effet, il faut considérer la perte en eau sur les parois des conteneurs malaxeurs et éventuellement les pertes avant l'introduction dans les malaxeurs. Le choix du liant et son dosage sont également des conditions d'une réussite dans la préparation des granulats 17. Les liants utilisés sont généralement des ciments courants (ciment de Portland, ciment au laitier, ....) ou spéciaux. Le malaxage peut être effectué pendant un temps court, par exemple de l'ordre de 3 minutes. Les granulats 17 ainsi enrobés sont placés dans un lieu étanche. L'invention concerne également les caractéristiques ciaprès prises isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - les mâchefers criblés 19 font l'objet d'une analyse physique (7) à partir de trois mesures différentes: - le coefficient d'absorption en eau 8, - la densité 9, - la porosité 10. Cette analyse 7 permet de déterminer la quantité d'eau contenue dans les pores et sur la surface des mâchefers criblés 19. La détermination de la capacité d'absorption (8) en eau des mâchefers 1, permet de prévoir le dosage en eau minimal dans le traitement de l'enrobage 14 aux liants hydrauliques. La qualité de la préparation au tamisage influe grandement sur les caractéristiques physiques 7 des granulats 17 obtenus. Le choix du dosage en eau dans le procédé d'enrobage 14 aux liants hydrauliques devra tenir compte du coefficient d'absorption 8. Les mâchefers criblés 19 font l'objet d'une évaluation du potentiel polluant 12 à partir de trois essais différents: - lixiviation à l'eau, 20 - détermination du taux d'imbrûlés, 21 - détermination de la fraction soluble 22. Cette évaluation 12 permet de vérifier que les mâchefers présélectionnés et criblés 19 satisfont les conditions imposées et qu'ils appartiennent par exemple aux catégories V et M. Cette lixiviation à l'eau 20 consiste à prendre les mâchefers 1, tamisés et séchés, de les mettre en contact avec de l'eau déminéralisée, de les agiter pendant un temps déterminé avec un appareil normalisé, et de séparer par filtrage les mâchefers 19 d'une part, et la partie du lixiviat pour analyse 11, d'autre part. Ce processus peut être éventuellement reproduit plusieurs fois. L'analyse des lixiviats permet de rechercher les éléments tels que métaux (zinc, plomb, cadmium, nickel, fer, chrome, cuivre, aluminium, titane, magnésium, phosphore) et anions (chlorure, sulfate). Certains de ces métaux ou anions présentent soit des caractères polluants et/ou gênants dans la prise du ciment. Certains ions contenus dans les mâchefers sont retardateur ou accélérateurs de prise, mais associés à d'autres ions, leur effet s ' inverse totalement. Ainsi, les ions chlorure Cl sont des accélérateurs de prise, mais s'ils sont sous forme de chlorure de magnésium ou d'aluminium, ils sont alors des retardateurs. Ainsi le bilan des concentrations molaires de chaque type d'ion permet d'évaluer l'action globale des ions sur la prise du ciment. La détermination du taux des imbrûlés 21 se fait selon le mode opératoire défini dans la circulaire 94-IV-1. La détermination de la fraction soluble 22 est effectuée selon les procédés conventionnels. L'analyse mécanique 4 des mâchefers enrobés comporte les essais suivants: - l'usure Micro-Deval 6 selon la norme NF P18-572, - la tenue au choc Los Angeles 5 selon la norme NF P18573. L'effet recherché dans la caractérisation mécanique 4 est une valeur MDE (Micro-Deval) + LA (Los-Angeles) inférieure à 55. Cette valeur obtenue par addition des valeurs des essais de Los-Angeles 5 et Micro-Deval 6 constitue le critère de choix du liant. Le liant CPA 55R est très satisfaisant du fait qu'il présente une valeur LA + MDE la plus faible. On peut citer à titre d'exemple le tableau IV donnant les résultats des essais Micro-Deval 6 et Los Angeles 5 effectués sur les granulats 17 avec différents liants tels que le CPA 55R, le CPA55 PMES et le ROC. TABLEAU III " Résultats cumulés de lixiviation et pH des lixiviats 1 2 3 Fe Cu Al Cl- SO42- lixiviation lixiviation lixiviation Mâchefers 4,90 0,90 94,10 121,50 1031,10 11,12 11,02 10,87 bruts 3 ppc 0,78 1,01 139,12 64,92 528,23 12,52 12,15 11,91 4 ppc 0,77 0,45 101,15 55,69 442,97 12,61 12,25 12,02 5 ppc 0,92 0,42 73,88 59,25 497,96 12,73 12,36 12,16 (Concentration en mg/kg de mâchefers) (ppc de ciment). TABLEAU IV " Résultats des essais Micro-Deval et Los-Angeles Micro-Deval Los Angeles L.A. # MDE Mâchefers bruts 24 40 64 Mâchefers traités Nature du liant Qté d'eau Qté de liant 5 ppc* 5 ppc 15 38 53 CPA 55 R 10 ppc 16 39 55 10 ppc 5 ppc 18 37 55 5 ppc 5 ppc 16 38 54 CPA 55 PMES 10 ppc 17 39 56 10 ppc 5 ppc 19 38 57 10 ppc 19 38 57 5 ppc 5 ppc 17 38 55 CHF 10 ppc 16 39 55 10 ppc 5 ppc 21 37 58 10 ppc 19 38 57 * ppc partie pour cent REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration de granulats (17) de construction à partir de mâchefers (1), caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes: - criblage (2) des mâchefers, - caractérisation (4, 7, 11) des mâchefers criblés, (19) - prémouillage (13) des mâchefers caractérisés (23) produisant des mâchefers préhydratés (25), - enrobage (14)des mâchefers préhydratés (25) avec un liant hydraulique. 2. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractérisation des mâchefers criblés (19) comporte une analyse physique (7) à partir de trois mesures différentes: - le coefficient d'absorption en eau, (8) - la densité, (9) - la porosité (10). 3. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractérisation des mâchefers criblés (19) comporte une analyse chimique (11) évaluant le potentiel polluant (12) à partir de trois essais différents: - lixiviation à l'eau, (20) - détermination du taux d'imbrûlés, (21) - détermination de la fraction soluble. (22). 4. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les mâchefers caractérisés(23) sont prémouillés avec une quantité d'eau définie en fonction de leur coefficient d'absorption (8). 5. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mâchefers préhydratés (25) sont stockés pendant au moins un jour. 6. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liant hydraulique est du ciment. 7. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon les revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la quantité d'eau apportée lors du prémouillage (13) est au moins égale à 3% en poids des mâchefers (23). 8. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon les revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la quantité de liant apportée est au moins égal à 3% en poids des mâchefers (23). 9. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'analyse mécanique (4) des mâchefers enrobés comporte les essais suivants: - l'usure Micro-Deval, (6) - la tenue au choc Los-Angeles, (5). 10. Procédé d'élaboration de granulats (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que préalablement à l'étape criblage (2), les mâchefers sont sélectionnés à l'aide d'une analyse chimique (11) évaluant le potentiel polluant (12).