Pavés autobloquants écologiques synthétisés à partir de la boue d’épuration des effluents liquides à savoir les cendres, les sables et les scories

INTRODUCTION 

Les fabricants et les chercheurs continuent de développer des briques de bétons [1-5], durables fabriquées à partir de différents déchets pour économiser des ressources naturelles non renouvelables. La crise environnementale déterminée par une mauvaise élimination des déchets solides, et le manque d’argile sont les facteurs qui motivent plus d’études. 

Ces aspects poussent les acteurs à étudier de nouveaux matériaux et à établir des méthodes avancées pour une valorisation efficace des déchets solides. Les cendres constituent un sous-produit pulvérulent présentant un certain nombre de caractéristiques qui les rendent valorisables[6-12]. Une voie possible de valorisation est leur utilisation en tant que matières premières secondaires dans le domaine de la construction et des travaux publics, domaine par ailleurs très grand consommateur de matériaux. Dans cette étude, deux sous-produits différents sous forme de boue de filtration des eaux usées, ont été utilisés pour obtenir des briques de bétons de bonnes résistances à la compression appelés pavés, à savoir les cendres qui sont des résidus de charbons issus des centrales thermiques, répondant aux exigences de propriétés des matériaux selon les normes internationales et les résidus métalliques de faibles granulométries issus de la fusion des métaux.

MATÉRIELS ET MÉTHODES 

L’organigramme utilisé dans le présent travail est le suivant (Figure 1): les cendres qui sont des déchets solides récupérés de la combustion du charbon des centrales thermiques [13-17] et les scories qui sont des résidus solides récupérés de la fusion des métaux ont été valorisées dans un premier temps dans la purification des eaux usées industrielles par la technique de filtration percolation. 

Une seconde revalorisation de ces déchets est leurs utilisations en tant que matières premières secondaires dans le domaine de la construction et des travaux publics, domaine par ailleurs très grand consommateur de matériaux. Dans notre étude la boue de filtration récupérée et séchée a été valorisée dans la fabrication des briques de pavés de dimensions 6 cm/6 cm/10 cm.

Caractéristique des déchets solides utilisés 

Les cendres volantes et mâchefers 

Les cendres volantes et les mâchefers sont les plus courants parmi les déchets de charbon qui sont utilisés comme adsorbants, et dans cette étude, les deux cendres ont été extraites de la centrale thermique de Jorf lasfar «JLEC», située à 17 km de la ville d’El Jadida. Les cendres volantes (Figure 2) sont produites par les précipitâtes dans les cheminées de la centrale électrique au charbon. Il apparaît dans une couleur grise avec des particules sphériques typiques. Les cendres volantes sont bien connues pour leurs propriétés pouzzolaniques et leur surface chargée négativement[19]. Cependant, les mâchefers (Figure 2b) sont produits en étant retirés du lit du four, évacués vers le réservoir d’eau et pompés dans des lagunes étalées en attendant de se dessécher. Visiblement, il apparaît dans une couleur sombre, leurs particules sont assez poreuses et ressemblent à la lave volcanique. Pour améliorer la compréhension du processus de filtration, les échantillons des deux cendres ont été soumis à la fluorescence X pour indiquer leur composition chimique, puis au tamisage granulométrique qui évalue la distribution granulométrique. La composition chimique des cendres volantes et des mâchefers analysés par fluorescence X est donnée dans le tableau 1, ci-dessous. La distribution granulométrique des cendres volantes et mâchefers est schématisée dans la figure 3.

La photo 1 ci-dessous, illustre la structure morphologique des cendres de foyer obtenue par microscope à balayage électronique MEB. Elles se présentent sous la forme de particules poreuses de tailles irrégulières. Nous remarquons que la plupart des grains de cendres de foyer se présentent sous forme de sphères creuses ou de sphères comblées par des sphères plus petites. 

Les scories En métallurgie, les scories ( figure 4) sont des sous-produits solides issus de la fusion, de l’affinage, du traitement ou de la mise en forme des métaux à haute température. Ce sont des mélanges d’oxydes divers qui surnagent sur le métal en fusion, ou s’en détachent lors de leur mise en œuvre à haute température. Elles sont de compositions extrêmement variées suivant les époques, les procédés et les métaux traités. 

Qu’elles soient des déchets extrêmement polluants ou des coproduits appréciés, les scories métallurgiques représentent un enjeu écologique et économique essentiel dans la métallurgie extractive. Dans le cas particulier de la métallurgie du fer, les scories pauvres en fer sont appelées laitier. 

Celui-ci représente, en volume, le type de scorie de loin le plus courant. La caractérisation chimique par fluorescence X des Scories montre qu’ils sont composés généralement d’oxyde de calcium et l’alumine qui sont des composants principaux (78%). On note aussi la présence de l’oxyde de magnésium, de la silice, du manganèse et du fer avec des teneurs non négligeables (figure 5). 

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS 

Préparation des pavés 

Dans cette étude, les briques ou pavés en béton de dimensions 10x6x6 cm, ont été préparées en utilisant différents dosages de la boue à base des cendres et des scories avec le ciment et le sable comme indiqué dans le tableau 2 . Les pavés ont été fabriqués comme le montre la figure 6, selon les dosages prescrits dans le tableau 2. L’étape consacrée au suivi des indicateurs de durabilité des bétons formulés aux délais de 28 jours. Pour la résistance à la compression et l’absorption d’eau, les pavés ont été placés entre deux plateaux. Cette expérience, consiste à compresser ces produits dans un but d’étudier et de déterminer la force de rupture à (Figure 7): Lorsque l’intensité de la contrainte augmente, il y a d’abord déformation élastique (le matériau se déforme proportionnellement à l’effort appliqué et reprend sa forme initiale lorsque la sollicitation disparaît, suivie parfois (en fonction de la ductilité du matériau) d’une déformation plastique (le matériau ne reprend pas sa forme initiale lorsque la sollicitation disparaît, il subsiste une déformation résiduelle), et enfin rupture (la sollicitation dépasse la résistance intrinsèque du matériau). Le principe consiste à centrer l’éprouvette sur le plateau de la presse, puis appliquer la charge d’une manière continue et sans chocs jusqu’à la rupture de produits. Enregistrer la charge maximale obtenue en (KN). La résistance à la compression est le paramètre le plus important lors de la caractérisation des produits en bétons. Selon la norme marocaine NM.10.1.009, les pavés sont caractérisés par une forte résistance à la compression, puisque celle-ci est supérieure à 54 MPa à 28 jours. Les résultats des contraintes élastiques et de ruptures des briques-pavés sont détaillés dans le tableau 3 

La figure 8, montre les courbes des résistances à la compression des briques-pavés. Nous remarquons une augmentation de la résistance à la compression très significative lorsque le taux des scories augmente dans le dosage. La résistance à la compression passe de 54,30 MPa pour une brique normale de référence, avec 0% de scories à 140,05 MPa pour les autres briques dépassant 30% de scories. 

De même la contrainte rupture passe de 181 MPa à 466,83 MPa. Les résultats obtenus sont très positifs d’où l’idée de valorisation des déchets solides des centrales thermiques à savoir les cendres et les résidus solides de la fusion des métaux à savoir les scories dans la purification des effluents liquides industriels et la revalorisation des boues récupérées dans la réalisation des briques écologiques est primordiale pour des utilisations multiples. Finalement, nous avons étudié la lixiviation de nos briques-pavés, afin de s’assurer que les métaux lourds dans la boue de filtration sont restés confinés dans nos briques écologiques. La méthode consiste à mettre la brique dans un bain d’eau (Figure 9), pendant plusieurs jours et effectuer des prélèvements réguliers. Les résultats des analyses obtenus par ICP sont donnés dans le tableau 4. Nous avons constaté que les éléments toxiques sont restés totalement piégés dans les briques. 

CONCLUSION 

L’industrie minière est mondialement critiquée pour la génération de grandes quantités de rejets miniers solides ayant souvent un impact négatif sur l’environnement. Leur réutilisation comme matière première alternative dans les matériaux de construction est une solution environnementale prometteuse. L’objectif de ce travail est de proposer des solutions fiables et faisables pour la fabrication de briques écologiques à partir de deux types de rejets : les rejets des centrales thermiques à savoir les cendres volantes et mâchefer et les résidus de la fusion des métaux à savoir les scories. Cette voie de valorisation permet de figer les éléments polluants dans la phase vitreuse de la brique. Ces matériaux sont mélangés avec du ciment, du gravier et du sable pour produire des briques-pavés. Ces dernières sont évaluées par la suite en analysant leurs propriétés mécaniques (résistance à la compression) et environnementales (relargage des métaux lourds). Les résultats de cette étude ont permis de conclure que les briques avec un dosage des scories dépassant les 30% présentent des résistances à la compression très forte allant de 140 MPa au lieu de 54 MPa pour les briques-pavés usuels, de même la contrainte rupture passe de 181 MPa à 466,83 MPa.