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Séminaire de Recherche AMC2, Matériaux pour lʼEco-conception, ENSAPM 2014 Sarah Roca-Labarre 1 VALORISATION DES MÂCHEFERS DʼINCINÉRATION DE FARINES ANIMALES DANS LES MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION À BASE CIMENTAIRE Par Sarah Roca-Labarre Article de Recherche Soutenu : Le 18.12.2014 A LEcole Nationale Supérieure dArchitecture De Paris-Malaquais Enseignants : L. Dimitriadi, R. Leroy M. Benard, L. Couton ENSAPM, 14, Rue Bonaparte 75 272 PARIS Cedex 06

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VALORISATION DES MÂCHEFERS DʼINCINÉRATION DE FARINES ANIMALES DANS LES MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION À BASE

CIMENTAIRE    

Par Sarah Roca-Labarre

 

             

Article de Recherche Soutenu : Le 18.12.2014

A L’Ecole Nationale Supérieure d’Architecture De Paris-Malaquais

 

 Enseignants :

L. Dimitriadi, R. Leroy M. Benard, L. Couton

                                                       

ENSAPM, 14, Rue Bonaparte 75 272 PARIS Cedex 06

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 Table des Matières :

 Remerciements

 

 Introduction

1. Résumé 2. Choix du sujet 3. Approche choisie

 

 I. Généralités

1. La filière des sous produits alimentaires a. Les étapes de la transformation

b. Les voies de valorisation des farines 2. Etude physico-chimique des mâchefers dʼincinération de farines animales (MIFA)

a. Aspect visual b. Composition chimique c. Composition physique d. Les effets du phosphate de calcium dans le corpus bibliographique    

II. Les hypothèses dʼintroduction du déchet dans un matériau de construction 1. Les composites

a. Le renfort b. La matrice c. Les interfaces fibres/matrice

2. Le béton et ses caractéristiques traditionnelles 3. Formulation du mortier

 

 III. Expérimentation

1. Introduction a. Conditions dʼexpérimentation b. Prolongement des études menées par M. Coutand

2. Protocole 3. Test de maniabilité

 

 IV. Etude des caractéristiques du nouveau béton

1. Etude des propriétés mécaniques 2. Etude économique

a. Le cout de production du sable b. Le cout de mise en décharge des MIFA

3. Etude énergie grise du nouveau matériau a. Les facteurs environnementaux et sanitaires de la valorization énergétique b. Les productions de gaz à effet de serre liées au transport des matières c. Lʼaugmentation de la consommation dʼeau pour le gâchage du nouveau mortier  

 V. Conclusion VI. Bibliographies VII. Annexes

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   Remerciements

 

 Je remercie Mme Ledda Dimitriadi et Mr. Robert Leroy, enseignants à lʼorigine de cette étude, et tout particulièrement Robert Leroy pour mʼavoir toujours incité à recentrer mon sujet et questionner ma problématique. Jʼadresse ma profonde reconnaissance à Martin Cyr pour mʼavoir accueillie au sein du LMDC et grâce à qui jʼai découvert des méthodes de travail et un raisonnement scientifique indispensable pour la réalisation des expérimentations. Les heures passées dans ce laboratoire ont été une des meilleures expériences de mon master et je tiens à remercier Moustapha pour sa patience, sa pédagogie et sa bonne humeur auquel jʼajoute toute lʼéquipe des chercheurs de lʼINSA de Toulouse. Je voudrais également citer toute l’équipe du séminaire AMC2 et en particulier Constance et Cedric avec lesquels les échanges sur nos expériences ont fait évoluer mon travail et surtout mon moral ! Enfin je remercie mes proches, ma famille et celui sans qui jʼaurai abandonné depuis longtemps ces études.

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 I. INTRODUCTION

 

 1. Résumé Cet article de recherche est consacré à la possibilité de valorisation des cendres de farines animales dans les matériaux à base cimentaire. Le résultat de lʼétude prend en compte Les études physico-chimiques du matériau résultent dʼune recherche bibliographique en sʼappuyant principalement sur le thèse de Marie Coutand1 « Etude technologique et environnementale des résidus dʼincinération de farines animales valorisés dans la matrice cimentaire. Evaluation écotoxique des matériaux et étude du piégeage des métaux. ». Les expérimentations ont eu lieu au LMDC (Laboratoire Matériaux et Durabilité des Construction) de lʼINSA Toulouse et selon la norme NF EN 196-1.

 

 2. Choix du sujet  Dans la rubrique Design du numéro d'Architecture d'Aujourd'hui2 de septembre paraît un article sur Felipe Ribon. Ce jeune designer se met à son compte après huit ans passés chez les frères Bouroullec et lance un nouveau projet intitulé S.OS. "L'os bovin, déchet de l'industrie agro-alimentaire dont on ne sait plus que faire, alors qu'autrefois de nombreux artisans savaient le travailler". Felipe Ribon propose une série de couverts taillés dans l'os de boeuf. Dans cet article, le designer résume parfaitement la problématique due à nos comportements alimentaires, produisant ainsi des déchets valorisables. Cette étude a débuté par un rapport bibliographique rassemblant les utilisations connues de cette matière afin dʼen comprendre les composés physico-chimiques et les processus de retraitement. Lʼobjectif de ce travail étant de donner des pistes de développement pour la revalorisation du déchet dans un matériau.  L'os de boeuf est considéré comme un déchet une fois la bête abattue et la viande récoltée, c'est donc un sous produit alimentaire qui peut être valorisé. Par valorisation on entend toute transformation de résidus ou de sous produits industriels alimentaires en vue de les réintroduire sur le marché à titre de nouveaux ingrédients ou comme nouveaux produits3. Ce procédé pourrait s'avérer économiquement bénéfique pour les entreprises, en effet elles n'auraient plus à dépenser pour retraiter leurs déchets mais pour générer un nouveau produit qui apporterait des revenus supplémentaires. Avec la consommation mondiale de viande, nous pouvons déduire que ce déchet aurait de nombreux avantages à devenir une ressource. Lʼos de boeuf est un produit assimilé avec les autres déchets issus de lʼéquarrissage de différentes catégories (élevage bovin, porc, mouton) qui une fois traités se regroupent sous le nom de farines animales.

 

 Au cours de lʼétude sur ce déchet le problème de la matière première sʼest rapidement posé. Depuis lʼencéphalopathie spongiforme bovine (ESB) dans les années 90, toute valorisation du déchet avait été interdite en France comme en Europe. Mais en 2006 la France autorise de nouveau lʼutilisation de ces farines animales nouvellement appelée Protéines animales transformées. Cela nʼa que peu dʼimpact car les esprits restent marqués et toutes les entreprises refusent catégoriquement toute divulgation dʼinformation  

1 M. Coutand, « Etude technologique et environnementale des résidus dʼincinération de farines animales valorisés dans

2 Revue de presse Architecture dʼAujourdʼhui, n°397, p.79

3 Document de travail des services de la commission sur la transformation, lʼélimination et lʼutilisation de sous-produits animaux dans les états membres, Commission des Communautés Européennes, 2011.

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 concernant ces produits. La ressource existe pourtant et on cherche toujours une voie de valorisation pour ces 600.000t / an rien quʼen France4, la consommation de viande ne semblent pas diminuer depuis ces dernières années. Cʼest donc également du point de vue des mentalités que lʼévolution doit se faire, mais si le processus débute du côté des consommateurs du côté des industriels on reste très méfiant et soucieux de véhiculer lʼimage dʼune entreprise saine.  3. Approche choisie

 

 Valoriser les farines animales dans un matériau de construction est une voie envisageable notamment dans les matériaux à base cimentaire. En effet sa composition chimique et sa forme permettent dʼen faire un substitut potentiel dans les mortiers et bétons. Pour ce faire lʼétude propose un bilan sur le déchet et sa filière (production, utilisation, définition chimique) puis une phase dʼexpérimentation lors de lʼincorporation des mâchefers de farines animales dans les mortiers. Le résultat espéré nʼest pas dʼaméliorer les propriétés du béton en compression mais de limiter les impacts sur le changement de la formule. Si lʼétude menée obtient des résultats encourageants cela permettrait lʼélimination totale dʼun déchet aujourdʼhui difficile à gérer et dʼanticiper une éventuelle hausse des coûts du béton due au manque de ressource en sable.

     Partie I : Généralités  

La filière des sous produits alimentaires  Les farines animales sont conçues à partie de déchets des viandes. Pour la plupart issues des abattoirs et qui correspondent à lʼalimentation des français, nous pouvons donc dire que les farines animales sont composées majoritairement de : boeuf, vache, porc, chèvre, mouton, volailles puis en proportion moins importante dʼautre types dʼanimaux.  Il faut savoir que cette ressource représente entre 50 et 70% de lʼanimal, en effet les carcasses et déchets dʼanimaux sont tous assimilés et traités dans le groupe des farines animales. Sur lʼanimal la carcasse, ainsi que les organes non consommés, les cartilages et tendons plus certaines autre parties sont retirés et collectés. Ce groupe des farines animales possède 3 catégories5 : - C1 : sous produit dʼorigine animale susceptible de transmettre le prion, et donc destiné

à la destruction. - C2 : sous produit dʼanimaux morts en dehors des abattoirs ou contenant des résidus de

médicaments. - C3 sous produits dʼanimaux sains, déclarés propres à la consommation humaine.

 

 Dans cette étude nous nous intéressons uniquement aux produits de la catégorie 3 qui peuvent être valorisés. Dans un premier temps les produits vont être collectés par camion dans les boucheries ou les abattoirs (étape soumise à la réglementation qui oblige tous les « producteurs » de carcasses à faire retraiter leurs déchets). Ces déchets vont ensuite

   

4 M. Coutand, « Etude technologique et environnementale des résidus dʼincinération de farines animales valorisés dans

la matrice cimentaire. Evaluation écotoxique des matériaux et étude du piégeage des métaux. » thèse INSA Toulouse, 2007. 5

P. Rakotoarisaona, F. Razakamahefa, Processus de fabrication de farine de viande, Université dʼAntananarivo

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 être apportés dans des centres de traitements où vont débuter les phases de transformation.  

Les étapes de la transformation  Une fois les sous-produits récoltés vers les entreprises de transformation le processus peut commencer. Les déchets sont dʼabord broyés en morceaux de 10 à 50mm pour passer en phase de cuisson, le but étant de déshydrater les matières premières. Puis durant 3h30 à 120° les graisses libérées sont drainées et évacuées du four, les résidus solides sont placés sous presse ou/et centrifugeuse afin dʼextraire le maximum des graisses. Durant ces étapes de cuisson les farines vont donc être stérilisées afin de ne véhiculer aucun agent pathogène, puis un dernier broyage est effectué pour obtenir un aspect homogène de la farine.  

Les voies dʼutilisation des farines  669.000 tonnes de farines animales sont produites chaque année en France. Considérant lʼaugmentation de la consommation de viande, on ne peut que prévoir lʼaugmentation de la production de ce déchet. A lʼheure actuelle plusieurs voies de valorisation existent en fonction de ce qui est produit à partir des carcasses. Lors de la transformation des déchets on distingue les éléments liquides des éléments solides, cʼest à ce moment que le collagène est extrait des parties osseuses qui deviendront par la suite les farines animales. Les poudres sont utilisées : - Dans les fours à cimenterie pour la cuisson du clinker - Dans les centrales électriques en co-combustion Dans ces deux voies de valorisation les farines sont employées pour leur fort pouvoir calorifique. Le principe dʼune co-incinération est de produire de lʼénergie en brûlant des combustibles nʼayant dʼautre voie que la mise en décharge6. Une fois incinéré, le débit des fumées font que lʼapport global de ce secteur sur les concentrations en certains polluants au niveau local peut sʼavérer problématique. Dans dʼautres cas les farines animales seront utilisées dans : - Dans la fertilisation et lʼépandage des cultures - Dans lʼoléochimie et le biogaz Cʼest alors sa composition chimique riche en protéines et phosphate de calcium qui est mise à contribution.  Tandis que le collagène sera utilisé dans lʼalimentaire et les cosmétiques. On peut donc dire que la majeure partie des déchets de lʼanimal sont retraités et valorisés dans divers secteurs.  Depuis 2006 le gouvernement à lancé une campagne de destruction des farines par co- combustion, cela permet de produire un chauffage urbain avec des cendres dʼordures ménagères ou des boues de station dʼépuration. Mais à moins de 550°C ce procédé laisse un résidu équivalent à 10 à 31% de la masse initiale. Nous nous retrouvons avec environ

             

6 www.sante-environnement.be

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50.000 tonnes7 de cendres de farines animales par an en France qui pour le moment sont enfouies.  Il ne serait pas productif de tenter une autre voie de valorisation des farines animales puisquʼelles offrent un pouvoir calorifique au moins comparable à celui du charbon8 et seul quelques traces de ce résidu sont décelées dans le clinker après la cuisson. - Le pouvoir calorifique inférieur (1) compris entre 15,7 et 18,6 MJ/kg - Le pouvoir calorifique supérieur (2) compris entre 16,9 et 30 MJ/kg Comme base de référence le charbon de rang moyen est compris entre 18,8 et 35,5 MJ/kg. 1 : Pouvoir calorifique supérieur diminué de la chaleur latente dʼévaporation de lʼeau renfermée par le combustible et celle ayant pris naissance dans sa combustion 2 : Quantité de chaleur qui serait dégagée par la combustion complète de 1m3 normal de gaz (1 atm., 0°C). Lʼeau formée pendant la combustion étant ramenée à lʼétat liquide et les autres produits étant à lʼétat gazeux.  Cependant il y a toujours 50.000 tonnes enfouies chaque année qui devraient faire lʼobjet dʼune question sur leur voie de valorisation.  

2. Etude physico-chimique des mâchefers dʼincinération des farines animales (MIFA)  Le produit récupéré après la combustion des farines animales est un mâchefer de cendre de farines animales (appelé par M. Coutand les MIFA). Il est issu de la co-incinération des farines avec des boues de station dʼépuration à hauteur de 5%. Cela entraine la présence en très faible quantité de métaux lourds et des éléments de couleur plus foncé dans le mélange. Lʼétude préalable de ce produit est essentielle, cʼest à partir de lʼensemble des données récoltées que lʼon pourra conclure de lʼintroduction, ou non, de ce déchet dans un nouveau matériau. Lʼexamen commence par lʼobservation visuelle des cendres, puis une caractérisation physique et chimique des composants.  a. Aspect visuel  Les cendres peuvent être apparentées à des mâchefers, ce sont des résidus solides de la combustion dans des fours industriels ou des usines dʼincinération9. Elles se présentent sous la forme dʼun sable ocre avec certains grains foncés, son utilisation dans un matériau peut être envisagée en lʼétat.

                         

7 M. Coutand, « Etude technologique et environnementale des résidus dʼincinération de farines animales valorisés dans

la matrice cimentaire. Evaluation écotoxique des matériaux et étude du piégeage des métaux. » thèse INSA Toulouse, 2007. 8

J-L Conesa, A. Fullana and R. Font, Thermal decomposition of meat bone meal, Journal of Analytical and applied pyrolysis 70 (2) (2003) 619-630. 9

Wikipedia

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photographie : Mâchefers d’incinération de farines animales10

 

 b. Etude de la composition chimique

 

 La composition chimique des farines est en grande partie constituée de phosphate de calcium (41,7 à 50,1% de CaO et 24,2 à 42,1% de P2O5) avec une quantité de Na2O et K2O comprise entre 1,9 et 9,9%. Ces variantes dépendent des sources bibliographiques. Le type de phosphate de calcium est nommé Hydroxyapatite phosphocalcique, il fait partie des apathies, une forme de phosphate stable.  c. Composition physique

 

 Lors de lʼétude au microscope on constate la formation de ces mâchefers sous forme de

billes allant de 0 à 4mm de diamètre. La texture poreuse sera très probablement à lʼorigine dʼune plus grande absorption de lʼeau comparée à celle des sables, cette caractéristique devra être étudiée au moment de la formulation.

                                                 

Etude au microscope : texture des grains de MIFA11

   

10 M. Cyr, Contribution à la caractérisation des fines minérales et à la compréhension de leur rôle dans le comportement

rhéologique des matrices cimentaires, thèse INSA Toulouse et Université de Sherbrooke, 1999. 11

M. Cyr, Contribution à la caractérisation des fines minérales et à la compréhension de leur rôle dans le comportement rhéologique des matrices cimentaires, thèse INSA Toulouse et Université de Sherbrooke, 1999.

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   Les précédentes études montrent également une masse volumique des mâchefers de 2900kg/m3, celle-ci est nettement supérieure à celle du sable (entre 1600 et 1850kg/m312). Ce qui signifie que lors du remplacement du sable par les MIFA il faudra procéder à un remplacement à masse volumique égale.  

Les effets du phosphate de calcium dans le corpus bibliographique  Des effets ont été reportés quand au mélange du phosphate de calcium dans les matériaux à base cimentaire notament :  - L’effet de lixiviation (piégeage des métaux lourds et notamment du plomb)

 

 Les effets de lixiviation (processus au cours duquel lʼeau sʼinfiltre dans la matière, emmenant avec elle les métaux lourds qui seront ensuite piégés dans la masse) cet effet est produit par la composition principale des MIFA : les HAP (hydroxyapatite : Ca10(PO4)6(OH)2 ). Dans la thèse de Deydier13, la capacité de piégeage des métaux est de 275mg de plomb/g de cendres.  

III. Les hypothèses dʼintroduction du déchet dans un matériau de construction.  Le principe de ce studio de recherche est de réfléchir et concevoir un matériau dʼéco- conception, une technique de fabrication ou de mise en oeuvre dans lʼarchitecture. Pour comprendre comment valoriser cette matière première il faut dʼabord savoir quelles sont ses propriétés et comment les utiliser au mieux. Le principal aspect des MIFA est sa forme : granulaire entre 0 et 4mm et surtout

amorphe, il peut donc être intégré comme une masse. Les propriétés chimiques et mécaniques du matériau sont moins évidentes. On ne peut pas utiliser les MIFA pour ce quʼelles sont, cʼest à dire seules, comme le bois,

lʼacier ou le verre. Cʼest un matériau qui doit faire lʼobjet dʼun mélange pour combiner ses points forts avec dʼautres éléments afin de former un composite. Le principe du matériau composite est lʼalliage de deux matériaux et de leurs capacités pour arriver à de meilleures propriétés. Lʼamélioration peut être dʼordre mécanique, acoustique ou bien thermique.14

 

 1. Les composites?  Dans un matériau composite, deux typologies dʼincorporation sont possibles : La fibre comme renfort ou comme matrice

     

a. Le renfort  Dans lʼutilisation dʼun renfort le matériau constitue le squelette, une ossature sur laquelle vont s'exercer les contraintes mécaniques. Son rôle est d'améliorer la solidité du matériau. Deux catégories peuvent être données en exemple sur ce thème, la première est celle des

   

12 Wikipédia

13 E. Deydier, R.Guilet, S. Cren, V. Pereas, F. Mouchet and L. Gauthier, Evaluation of meat and bone bone meal

combustion residue as lead immobilizing material for in situ remediation of polluted aqueous solutions and soils, « Chemical and ecotoxicological studies. » Journal of Hazardous Materials, B 121 (2005) p. 227-236. 14

A. Kaflou, Etude du comportement des interfaces et des interphases dans les composites à fibres et à matrice céramiques, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 2006.

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 bétons. Depuis lʼinvention des premiers mortiers les scientifiques nʼont cessé dʼaméliorer ses propriétés, intégrant de nouveaux liants ou des fibres comme le verre. La seconde catégorie de matériau composite est celle des bois, les fibres de bois sont liées entre-elles par des colles, il sʼagit de recomposer un bois dont les fibres ne seraient pas toutes orientées dans la même direction ( OSB, LMC etc…) Le point négatif des composites réside généralement dans les colles.

 

 b. La matrice  La matrice est l'enveloppe autour du squelette, elle va répartir les efforts mécaniques dans le matériau le plus uniformément possible, elle assure la cohésion du matériau, donne une forme, peut protéger de l'extérieur (corrosion etc…). Le problème des matrices dans les matériaux composites est quʼelles ont souvent été fabriquées à base de matériaux très polluants et non recyclables comme les colles. Ces matériaux en plus de ne pas être écologiques se sont révélés néfastes pour la santé. Dans les années 90, de nouveaux matériaux composites ont émergé grâce aux contraintes environnementales sur le recyclage. Ces dernières ont poussé les industriels à développer de nouveaux matériaux comme les bio-polymères avec lʼintroduction de fibres végétales.  Lors dʼune première phase de recherche bibliographique, les MIFA avaient été envisagées comme fibre de renfort dans un matériau. Le but étant dʼaméliorer les propriétés grâce au phosphate de calcium non pas pour le travail en compression mais comme liant se substituant au ciment dans les matériaux à base cimentaire. La méthode utilisée pour la formulation du béton reprend celle de Marie Coutand, ainsi les résultats obtenus pourront être comparés à sa thèse

     

c. Les interfaces fibre/matrice  Le comportement mécanique des composites est en majeure partie lié à la liaison entre les fibres et la matrice. Lʼinterface désigne les surfaces séparant les éléments entre eux et cʼest précisément cette étape qui doit être maitrisée sur le plan physico-chimique et sur le plan mécanique. Ce comportement est fortement identifiable dans les matériaux à base cimentaire, en effet le sable fait office de fibre et le ciment et lʼeau réagissent ensemble en formant un liant compact qui rattache les grains de sable entre eux.  Lʼétude menée se propose dʼétudier le rôle de substitut des MIFA dans un matériau de construction à base cimentaire. Il faut énoncer quʼici il est question dʼincorporer un déchet afin de le recycler. La démarche se base sur le principe que le déchet pose des problèmes de stockage et que sa fin de vie nʼest pas encore définie. Il ne sʼagit pas de remplacer totalement les matériaux de base du béton ou dʼaméliorer les propriétés de ce dernier. Le but est de proposer une alternative à la mise en décharge des déchets dit ultimes de lʼos15. Pour les ré-introduire dans un nouveau matériaux comme le béton il faut sʼassurer que les MIFA ne dévaluent pas les propriétés mécaniques et physiques du matériaux ou quʼils nʼentrainent pas dʼeffets négatifs15.

     

15 Jean-Emmanuel Aubert, Utilisation de déchets dans les bétons : exemple des cendres volantes dʼincinérateurs

dʼordures ménagères , INSA/UPS de Toulouse, 2003.

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 Cependant étant donnée la composition chimique les MIFA semblent très proche de la composition du sable dans les mortiers.

 

 2. Le béton et ses caractéristiques traditionnelles  Le béton est lʼun des matériaux de construction les plus utilisé, cela est du à sa facilité de mise en oeuvre et à son coût peu élevé. Il offre beaucoup de possibilités dans la conception architecturale que ce soit sur des architectures classiques ou sur des ouvrages dʼart. Chaque seconde dans le monde, on coule 190m3 de béton, soir 6 milliards de m3/an16.

 

Ce produit manufacturé a subi de nombreuses évolutions depuis lʼinvention des premiers mortiers romains, son comportement résulte de la réaction chimique de ses constituants. Cʼest la raison pour laquelle ce chapitre débute avec lʼétude des caractéristiques du béton traditionnel normalisé.  Les constituants classiques sont du ciment, de lʼeau, du sable et des granulats auxquels peuvent sʼajuster des adjuvants en fonction de lʼutilisation. Le ciment jour le rôle de liant, composé de poudre de chaux et de calcaire argileux qui durcit avec lʼeau. Le sable ainsi que le gravier sont le squelette du béton, ils sont issus de rivière ou de carrière débarrassés des impuretés. Plus la granulométrie des graviers et sables est variée plus la résistance sera bonne, ce phénomène est liée à la surface en contact avec le liant. Le quartz est moins réformable que la matrice de ciment, il sʼoppose à la propagation des micro-fissures. On peut également rajouter divers adjuvants existants : superplastifiants, fluidifiants, accélérateurs de prise, retardateurs, hydrofuges etc…17

Pour composer le ciment le carbonate de calcium quʼon calcine est mélangé à du sable (ou silice SiO2). La calcination forme non de la chaux mais du ciment, ou silicate de calcium CaSiO3, ce ciment, mélangé à de lʼeau durcit en quelques heures et forme le béton18. On appelle cette étape la réaction pouzzolanique. Ce nom est tiré des cendres de pouzzolane introduites dans les mortiers traditionnels romains. La réaction se forme grâce aux silicates et aluminates développés pendant la phase dʼhydratation du ciment.  Le phosphate de calcium est amorphe, il ne réagit pas avec les composés chimiques présents dans les bétons et semble sans interférence avec la réaction pouzzolanique, voir même il pourrait améliorer le phénomène.  Les propriétés du béton en compression peuvent aller de 2MPa pour les matériaux de remblais auto-compactants19 à des bétons courant de 30MPa jusquʼaux bétons vibrés ultra-performants de 200MPa. Pour cette étude, nous nous basons sur la norme NF EN 206-1qui, depuis 2005, est devenue la base normative pour les bétons de structure. Il sera ainsi intéressant de comparer le futur béton pour comprendre si son potentiel permet de lʼemployer dans le domaine architectural.

         

16 www.planetoscope.fr

17 CT-G, Caractéristiques et emplois des ciments, Infociment.

18 “Cours sur les Elements” par Maurice Cosandey.

19 Certu, Remblayage des tranchées - utilisation des matériaux autocompactants, publication technique vertu, 1998.

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 3. Formulation du mortier  En incorporant le phosphate de calcium dans le béton la formule de base est modifiée, il faut donc savoir à quel matériau les MIFA peuvent se substituer afin de rééquilibrer la formule. Deux hypothèses sont avancées : - le phosphate de calcium par sa composition chimique substitue le ciment de portland - le phosphate de calcium par sa granulométrie substitue le sable

 

 La formulation permettra de trouver le mélange optimal en constituants. Dans lʼétude, on doit chercher lʼoptimum en substitution du sable par les MIFA mais également en rapport E/C. Le but étant de substituer un maximum de sable pour évacuer le plus de quantité de farines animales possible. Selon lʼenquête menée par FIB-UNICEM le béton prêt à lʼemploi représente 37,5 millions de m3 en 2009  Composition des mélanges Suivant la formule dʼun mortier normalisé : - C = 450g - E = 225g - S = 1350g avec un rapport E/C = 0.5 Il faut commencer par prendre en compte le fait que les mâchefers vont absorber de lʼeau, si le rapport E/C nʼest pas modifié les propriétés du béton risquent de diminuer. En effet lors de sa réaction chimique toutes les molécules dʼeau doivent interagir avec le ciment si lʼon veut que la réaction pouzzolanique ai lieu. Le risque si nous ne changeons pas la formule est que les mâchefers absorbent trop dʼeau et donc dʼinfluer sur la rhéologie du béton. Lors de lʼétude sur des échantillons de mortier nous avons constaté quʼà 25% de Substitution, le meilleur rapport E/C était de 0.6.

 

 Sur une première série de tests il est convenu que ce rapport E/C ne sera pas modifié en fonction du pourcentage de MIFA substitué au sable. Cela permet de nʼavoir quʼune variante dans les tests, si nous varions deux éléments les tests risquent de ne pas être concluant. Il y aura donc deux phases de tests, le premier à rapport E/C constant et le deuxième à maniabilité constante (cʼest à dire que lʼon prend en compte le taux dʼabsorption de lʼeau dans les calculs et que le rapport E/C est proportionnel à la quantité de MIFA incorporé).  Le ciment utilisé est un CEMI 52.5 R, il ne contient que du clinker.

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13

 

 

 

TABLEAU FORMULATION 1

       

TABLEAU FORMULATION 2 :

     

III Expérimentations  En rappelant quʼici il nʼest pas question de créer un mortier aux propriétés mécaniques exemplaires mais bien de trouver les utilisations possibles de ce nouveau béton en fonction des qualités obtenues avec les expérimentations. Il existe tous les types de bétons et mortiers, allant dʼune résistance faible de 2MPa pour des matériaux de remblais auto-compactants20 à des BFUP ultra performants montant jusquʼà 150MPa. Il est donc facile de se rendre compte que le futur mortier aura une application dans lʼarchitecture, bien quʼelle ne soit pas structurelle ou seulement pour des petites portées. Le but des expérimentations est aussi de déterminer quelle quantité de MIFA je substitue au sable, car en connaissant la quantité de béton coulé par an en France, si le nouveau matériau se veut crédible il doit absorber la totalité du déchet ultime des farines animales. Ce mortier ayant pour but de récupérer et « digérer » les déchets de lʼindustrie agro- alimentaire sans pour autant perdre de sa valeur sur le marché.

         

20 Certu, Remblayage des tranchées - utilisation des matériaux autocompactants, publication technique vertu, 1998.

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 Pour déterminer et contrôler chacun de ces aspects il serait intéressant dʼétudier le rôle des MIFA dans les matériaux cimentaires en deux étapes : - étude à lʼétat liquide des mortiers - étude à lʼétat solide des mortiers

     Etude des pâtes : Puisque selon certains ouvrages les phosphates sont des retardateurs de prise je

pourrais faire les tests nécessaires sur les mortier à lʼétat liquide (test au maniabilimètre) mais aussi pour vérifier que la porosité du matériau nʼinduit pas une augmentation de la teneur en eau dans la pâte21 car pour les recherche de J-E Aubert, la teneur en eau passe de 0.29 à 0.31 lorsque 25% du ciment est remplacé par les cendres. Pour répartir au mieux le temps des expérimentations je choisis de prendre la thèse de Marie Coutand comme base et de ne pas refaire ces tests. Il sera intéressant au contraire dʼapprofondir ses résultats avec dʼautres chiffres qui viendront étayer le rapport.  1. Introduction

 

 a. Conditions dʼexpérimentations

 

 Lors de ma recherche de matière première (farines animales) je me suis heurtée à

beaucoup de refus. Les farines animales étant incinérées dans les fours à cimenterie ma demande sʼest dirigée vers les responsables de Calcia, Lafarge et de groupes étrangers. Tous refusent aujourdʼhui de communiquer la moindre information sur le produit, de même pour les groupes de transformation des farines animales comme Akiolis. Cʼest en contactant la personne ayant rédigé une étude sur lʼutilisation des cendres dʼincinération des farines animales que les portes du LMDC à lʼINSA de Toulouse se sont ouvertes. Le directeur de thèse avait réussit à lʼépoque à obtenir deux seaux de mâchefers dʼincinération de farines animales dans une usine dʼincinération conçue spécialement pour la destruction des farines animales. Cʼest avec le reste de ces mâchefers que Martin Cyr me propose de poursuivre ma recherche à lʼINSA. Les expérimentations se sont déroulées à Toulouse dans les conditions réelles aux normes NF EN 196-1 et peuvent donc être reproduites par un autre laboratoire.  b. Prolongement des études menées par M. Coutand

 

 La thèse étudiée porte sur lʼincorporation de 3 types de résidus dʼincinération dans les matériaux à base cimentaire. Les mâchefers, des fines ainsi que des cendres de laboratoire. Ce document me fourni une base documentaire sur le produit et une base d’analyses que je dois poursuivre et non répéter. Les résultats portent sur une substitution de 25%, 50%, 75% et 100% dans les mortiers et montrent une dégradation significative des propriétés en compression à 50%. Dans le but de prolonger ces analyses nous choisissons dʼétudier des taux de substitution moins élevés et propices à une réelle utilisation des MIFA.  Nous rappelons les principales caractéristiques du matériau rapportées par la thèse :

       

21 Jean-Emmanuel Aubert, Utilisation de déchets dans les bétons : exemple des cendres volantes dʼincinérateurs

dʼordures ménagères , INSA/UPS de Toulouse, 2003.

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- coefficient dʼabsorption dʼeau : 11% soit 40% dʼeau en plus (le sable est constitué de quartz, matériau très dense)

- masse volumique : 2900kg/m3 - teneur en eau : inférieure à 0.3%

 

 2. Protocole

 

 1- La pesée des éléments : 2- Lʼincorporation et le malaxage en plaçant le ciment dans lʼeau, placer le récipient sur le malaxeur, placer le mélange sable+MIFA dans le réservoir du malaxeur, lancer la procédure à la norme NF EN 196-1-3 (30sec malaxage C+E ; 30sec incorporation S dans C+E ; 30sec malaxage rapide ; 90sec repos de la pâte ; 60sec malaxage rapide). 3- test au maniabilimètre LCL (disposer le mortier dans le récipient en quatre couches uniformes et égales, entre chaque couche piquer 6 fois le mélange avec un tube normalisé pour minimiser les bulles dʼair enfermées, retirer la trappe et laisser le béton se déverser jusquʼà un repère donné. Le temps écoulé entre le moment où lʼon retire la trappe et le moment où le mortier atteint la limite du récipient nous donne une valeur en seconde de maniabilité du béton.) 4- Préparer les moules en polystyrène sur la table à chocs. (Des moules en polystyrènes sont privilégiés car leur démoulage est plus rapide et demande moins de manipulations que les moules en acier) 5- Disposer le mortier en remplissant de moitié les trois moules :

                                                                 

Echantillon une fois les trois moules remplis uniformément avec le Té  

 6- Mettre à niveau le mortier dans le moule à lʼaide dʼun « Té » spécialement conçu pour que le mortier sʼarrête à la moitié de la contenance du moule

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 7- démarrer la table à chocs (60 coups) 8- strier le mortier en place dans les moules pour favoriser lʼadhérence de la seconde couche de mortier, remplir à ras-bord puis passer mettre à niveau les moules remplis avec le second « Té ». 9- Relancer la table à choc (60 coups)

                                                                                                       

Moule à la sortie de la Table à chocs

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Moule préparé et mis à niveau pour être placé en salle climatisée  

 10- disposer les éprouvettes dans une salle climatisée en prenant soin de recouvrir les moules de film alimentaire (cela évite lʼévaporation de lʼeau contenu dans le mortier liquide) 11- Après 24h de prise du mortier, extraire les échantillons des moules en polystyrène

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échantillon en cours de démoulage après 24h de prise  

 12- Placer les échantillons dans une bassine dʼeau durant les 27 jours restants.

                                                               

Echantillons après démoulage  

 Ces étapes ont été respectées pour lʼensemble des échantillons afin de pouvoir comparer les tests en compression à 28 jours.

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       3. TESTS MANIABILITE

                     

Tableau des temps d’écoulement des mortiers au maniabilimètre                                                      

Courbes comparatives entre E/C constant (vert clair) et E/C variable (vert foncé)      

En étudiant les tests de maniabilité on se rend compte quʼen effet les MIFA absorbent un pourcentage dʼeau conséquent dans les mélanges à E/C constant. Plus le pourcentage de MIFA diminue plus le mortier est liquide, mais lors du malaxage des mélanges on se rend compte quʼen augmentant le temps de malaxage le mortier redevient plus malléable. Cependant dans un souci de concordance avec lʼéchantillon témoin, nous ne pouvons modifier la formulation, et bien quʼon observe une chute de maniabilité cela nʼempêche pas le béton de se placer correctement dans les moules.

     IV. Etude des caractéristiques du nouveau béton

 

 Il est aujourdʼhui devenu primordial de mener des investigations sur le potentiel de nos

déchets alimentaires et industriels pour substituer certaines ressources épuisables. Ces dernières années dans le domaine du génie civil, les facteurs économiques et écologiques poussent à lʼinnovation les filières de recherche et développement.

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20

 

 

 Dans sa définition, une ressource est dite non renouvelable lorsque sa vitesse de

consommation est plus rapide que sa vitesse de création22. Bien que cette notion fût déjà dʼactualité au moyen-âge avec la déforestation et la disparition du gibier, la prise de conscience est récente. En 1964 dans « Avant que Nature se Meure » Jean Dorst23 dit « Lʼhomme moderne dilapide dʼun coeur léger les ressources non renouvelables, combustibles naturels, minéraux, ce qui risque de provoquer la ruine de la civilisation actuelle. ». Cʼest lʼentrée dans les années 70 et les prises de consciences qui mèneront aux études sur des matériaux de substitutions comme le diester : substitut du pétrole issu de lʼhuile de colza. Pour étudier au mieux lʼensemble des caractéristiques du nouveau béton lʼarticle se décompose en trois parties, lʼétude des propriétés mécaniques, lʼétude économique et lʼétude dʼénergie grise. Ces trois axes permettant une conclusion et/ou une ouverture sur dʼéventuelles recherches supplémentaires.  1. Etude des propriétés mécaniques

 

 Les tests nʼont pu être effectués quʼà 28 jours car le déplacement jusquʼà Toulouse demandait un budget trop conséquent. Nous avions donc 2 catégories de tests à 28jours : - E/C constant de 0.6 - E/C variable en fonction du pourcentage de MIFA

           

                           

22 Bilan Environnemental sur les filières du recyclage : lʼétat des connaissances ACV, ADEME ref.4362, mai 2002. 23 J. Dorst, Avant que Nature se meure, Pour une écologie politique : Pour que nature vive, éd. Broché, 2012.

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21

 

 

Seminaire de Recherche AMC2, Materiaux pour I'Eco-conception, ENSAPM 2014 Sarah Roca-Labarre  

Resistances en flexion/compression a 28 jours •flexion compression

     

50

 40

 30

 20

 10

 0

M1TEMOIN M2 10% E/C M3 15% E/C E/C = 0,6 = 0,54 =0,56

 M4 20% E/

C= 0,58

 M110% E/C M2 15% E/C

= 0,6 = 0,6

 M3 20% E/

C= 0,6

 M4 25% E/

C= 0,6

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   Ainsi nous pouvons étudier la résistance en flexion, puis en compression des éprouvettes. En analysant les tableaux il semble que jusquʼà 25% de substitution les propriétés du béton soient encore très bonnes, nous nʼenregistrons pas de chute significative des propriétés par rapport à lʼéchantillon témoins. Les écarts type sont parfois très élevé, cela peut être du à un mauvais malaxage car sur les deux tests dʼun échantillon nous avons des résultats similaires. Sur lʼéchantillon témoin nous sommes à 8.31MPa en flexion et 48.03 en compression, selon la norme NF EN 197-1 comme montré ci-dessous dans le tableau, la valeur moyenne de ce béton en compression à 28jours est de 50MPa. Cela semble donc normal dʼavoir des valeurs assez hautes en termes de résistance. Les résultats sont donc exploitables et la variation du rapport eau/ciment ne semble pas affecter les résultats car les moyennes sont similaires. Nous avons donc un maximum de 48.55MPa avec 10% de MIFA et un E/C de 0.6 et un minimum de 41.02MPa avec 15% de MIFA et un E/C de 0.56.  2. étude économique

 

 Pour avoir une étude économique valable il faut avoir une idée du coup de production du matériau de base, ici le sable, mais également celui du substitut lorsquʼil nʼest pas valorisé.  a. Cout de production du sable  Le sable peut représenter jusquʼà 80% de la composition du béton24. Il participe grandement au coût du béton lorsque son prix est élevé. Les causes sont liées au transport de la marchandise dans des régions peu accessibles mais également au mode dʼextraction. Après lʼair et lʼeau cʼest la ressource la plus utilisée dans le monde. Il représente un volume dʼéchanges internationaux de 70 milliards de dollars/an pour un volume de 15 milliards de tonnes25. Tandis que les volumes sont impressionnants, le prix du sable est relativement bas (10 à 20€ la tonne) Il nʼest donc pas très avantageux de substituer le sable, du moins pour le moment. En

effet la consommation mondiale ne cesse dʼaugmenter26 et les difficultés dʼapprovisionnement se font déjà sentir dans certains pays. «Lʼéconomie même de Singapour dépend de ses importations de sable. Plusieurs fois rappelée à lʼordre, cette place financière se sert désormais dʼentreprises fictives pour nourrir ses ambitions démesurées : sa superficie sʼest déjà agrandie de 20% en quarante ans. Comment ? En se servant illégalement chez ses voisins dʼIndonésie.»27

 

 b. Le coût de mise en décharge des MIFA

 

 A court terme il semble profitable de remplacer le sable par les MIFA uniquement si son coût de transport est moindre. Cela implique un nouveau mode de fonctionnement de la part des cimentiers (principaux producteurs de ces cendres dʼincinération). En effet le

 

 24 Le sable, enquête sur une disparition par Denis Delestrac, Arte. 25 M.A Daye, Le sable disparait (et on en parle pas), 24/05/2013, http://rue89.nouvelobs.com/rue89- planete/2013/05/24/sable-disparait-nen-parlons-242635 26 K. Pereira, Sand mining - the « high volume-low value » paradox, 11 april 2012 http://www.aquaknow.net/en/news/sand-mining-high-volume-low-value-paradox/ 27 A. Loussouarn, Marchands de sable, les autres pilleurs dʼocéan, 24/05/13, http://www.humanite.fr/environnement/marchands-de-sable-les-autres-pilleurs-d-ocean-542170

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 principe serait de créer un nouveau réseau de retraitement des déchets ultimes actuellement mis en décharge pour les acheminer jusquʼaux chantiers. La proximité du ciment et du substitut privilégie ce mode dʼéconomie. En France, 5 entreprises se répartissent la production de ciment : - Calcia : 10 sites, - Holcim France : 7 sites - Kerneos : 3 sites - Lafarge Ciments : 14 sites - Vicat : 7 sites

     

 

 Les 41 cimenteries sont réparties sur le territoire comme le montre la carte ci-dessous. Ces sites pouvant acheminer directement leurs mâchefers dʼincinération des farines animales pour formuler le béton, le transport et la proximité semblent être un atout. Le développement des combustibles de substitution pour amortir les coûts de production semble en constante augmentation28. Les cimentiers ont donc déjà adopté la revalorisation énergétique des farines animales. Le coût de transport ne sera donc pas un enjeu majeur, lʼargument principal reste lʼéconomie créée par la non mise en décharge. La politique de mise en décharge, souvent facilitée avant les années 90 car peu coûteuse sʼest aujourdʼhui transformée. Depuis 1992 le sujet est au centre des débats avec la loi du 13 juillet 1992 appliquée depuis 2002, forçant à ne mettre en décharge que les déchets

   

28 CT-G, Caractéristiques et emplois des ciments, Infociment.

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 ultimes dont aucune voie de valorisation nʼest possible. Aujourdʼhui la France ne met en décharge que 48% de ces déchets au même niveau que lʼAllemagne et loin derrière le Royaume-Uni (70%) ou lʼItalie (85%)29. Dans les pays dʼEurope, les frais de mise en décharge se situent entre 30 et 80 euros par tonne de matières30. Pour une production annuelle en France de 50 000 tonnes de MIFA, cela ferait entre 1.500.000€ et 4.000.000€ économisés.  

           3. Etude Energie grise du nouveau matériau

 

 Le séminaire de recherche AMC2 est inscrit dans une démarche dʼéco-conception. Au cours de lʼétude sur lʼincorporation dʼun déchet dans un béton, il faut évaluer les améliorations dʼénergie grise du nouveau matériau. Lʼénergie grise est la quantité d'énergie nécessaire au cycle de vie d'un matériau ou d'un produit : la production,

     

29 www.senat.fr

30 Document de travail des services de la commission sur la transformation, lʼélimination et lʼutilisation de sous-produits

animaux dans les états membres, Commission des Communautés Européennes, 2011.

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26

 

 

 l'extraction, la transformation, la fabrication, le transport, la mise en œuvre, l'utilisation, l'entretien puis pour finir le recyclage.31

Ici nous utilisons comme matière première un déchet ultime, qui est décrit dans la règlementation comme « un déchet, résultant ou non du traitement dʼun déchet, qui nʼest plus susceptible dʼêtre traité dans les conditions techniques et économiques du moment, notamment par extraction de la part valorisante ou par réduction de son caractère polluant ou dangereux. » (Code de lʼEnvironnement Titre IV 1-1, Art. L. 541-2-1. -II issu de lʼOrdonnance n°2010-1579) Toutes les consommations dʼénergie préalables à son état final ne seront donc pas prises en compte.  a. Les facteurs environnementaux et sanitaires face à la valorisation énergétique  

La solution de valorisation énergétique pose des problème dʼordre sanitaire puisque lors de la combustion on note la forte présence de matières volatiles (60 à 70%) ainsi que des chlorures et alcalins32, 33 Les effets ne sont pas encore bien connu et les autorités nʼont pour le moment émis aucune restriction. Les types de polluants émis dans des usines dʼincinérations dʼordures ménagères ont cependant été listés dans plusieurs travaux, indiquant également les effets sur la santé34 : - les métaux lourds : cancer et troubles neurologiques - substances organiques : lésions cutanées et endommagement des systèmes nerveux et

immunitaire - particules fines : maladies cardiovasculaires et respiratoires - gaz polluants : pluies acides et troubles respiratoires

 

 Pour y faire face, lʼEurope a mis en place la directive 2000/76 qui redéfini les nouveaux standards environnementaux pour les émissions dʼincinérateurs. Ces différents facteurs ne peuvent être pris en compte dans la présente étude puisquʼils ont lieu avant la revalorisation du déchet ultime. Ils doivent cependant être présentés pour comprendre les enjeux de ce type de valorisation énergétique, qui à terme, semble vouée à se raréfier avec la prise en compte des enjeux environnementaux.  

Si à lʼheure actuelle la valorisation énergétique des farines animales est encouragée, cʼest quʼelle permet de faire chuter la consommation des autres combustibles comme le pétrole et le charbon. La transition énergétique qui sʼopère souhaite abandonner lʼutilisation dʼénergie fossile non-renouvelable vers des énergies vertes (renouvelables à échelle humaine). Ce remplacement progressif passe donc par ces voies de valorisation de nos déchets en combustibles en attendant lʼévolution technologique nous permettant de subvenir aux besoins uniquement avec les énergies renouvelables.35

 b. Les productions de gaz à effet de serre liées au transport des matières

     

31 www.wikipédia

32 M. Aho, F. Ferre, Importance of coal ash compisition in protecting the boiler against chlorine deposition during

combustion of chlorine-rich biomass, Fuel 84 (2005) 33

R. Visser, J. van Doorn, Meat and bone meal as fuel, paper presented at the VDI-Tagung Zunkunftorienterte Entsorgung von Tiermehl/Tierfett, Dortmund, BRD, Mays 2001. 34 T. Keller, La valorisation énergétique des déchets par incinération, mémoire de fin dʼétudes Majeure Finance, HEC 35

www.IFP énergies nouvelles

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 Tout comme lʼaspect économique du transport des matières, la production de gaz à effet de serre est minimisée grâce à lʼemploi du déchet ultime. En France, le sable et granulat consommés sont issus du dragage des fleuves, de lʼextraction minière ou du concassage. Nous produisons près de 379 millions de tonnes de granulats chaque année (ces chiffres varient en fonction de lʼimportance des chantiers sur le territoire)36. Avec 3000 carrières réparties dans toutes les régions (Aquitaine, Ile-de-France, Bretagne etc…) cependant les pénuries commencent à apparaitre car les méthodes dʼextractions sont agressives et la législation sʼest durci sur les droits dʼexploitation. Les productions de gaz a effet de serre seront donc nettement plus important si lʼindustrie en vient à importer du sable des pays voisins. Tandis que la production des mâchefers nʼest pas en train de chuter.  Selon les chiffres du rapport pour une régulation durable du transport routier de marchandises37 et la Note dʼInformation sur les émissions routières de polluants atmosphériques38, la consommation de CO2 est de 133g CO2/t/km pour un poid lourd de charge utile supérieure à 25 tonnes. Le transport est également responsable dʼémissions dʼoxydes dʼazote (NOx) de 15 à 20g/km en fonction de la vitesse, de particules PM10 et PM2,5 entre 0,15 et 0,2g/km. Ces émissions ne vont pas ou peu varier entre le sable et les mâchefers puisquʼils proviennent pour le moment tous les deux du territoire français.  c. Lʼaugmentation de la consommation en eau pour le gâchage du nouveau mortier

   La forte porosité des mâchefers forcent à surconsommation en eau dans le mortier comparé au sable. Pendant les expérimentation nous avons proposé un E/C à 0.6 avec 25% de mâchefers en remplacement du sable. Dans un mortier classique la formulation est de 225g dʼeau tandis que celle du mortier MIFA est de 270g dʼeau, 45g de plus soit 5% dʼeau supplémentaire dans le mélange. Cette quantité nʼest pas négligeable car lʼeau est une ressource importante comprise dans les calculs dʼACV.  V. CONCLUSION

 

 Durant cette étude nous avons pu démontrer que lʼincorporation des MIFA en substitution du sable nʼentrainait pas un baisse significative des propriétés du mortier jusquʼa 25% de remplacement du sable. Cela offre une voie de valorisation non négligeable des déchets ultimes issus de lʼagro-alimentaire face à leur mise en décharge. Il peut donc être employé comme béton de construction.  Mais bien que les résultats soient encourageants, il semble difficile de faire accepter ce déchet à la réputation douteuse. Les scandales liés aux produits nocifs qui nous entourent contribuent à une méfiance des consommateurs ainsi que des industriels. Les farines animales ont longtemps été synonymes de vache folle et leurs producteurs gardent farouchement le silence. Dans lʼarchitecture, lʼamiante ou plus anciennement les peintures

     

36 Chiffres émis par lʼUnion Nationale des Producteurs de Granulats en France

37 Rapport et documents pour une régulation durable du transport routier de marchandises, par M. Savy et C. Daude,centre dʼanalyse stratégique, 2008 38 Note dʼInformation sur les émissions routières de polluants atmosphérique n°92, Sétra, CETE de Lyon, CETE Normandie-Centre

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 au plomb ont également marqué les esprits, il semblerait donc que cette voie de valorisation ne soit possible quʼavec une communication claire et précise du produit.  Les pressions environnementales pour substituer le sable vont dans ce sens, il sera bientôt contraignant dʼextraire les granulats. Le déchet ultime sortant directement des producteurs de ciment, la chaine industrielle est une opportunité qui lancerait lʼutilisation des MIFA. En effet les cimentiers auraient tout intérêt à conserver ces mâchefers pour être valorisés plutôt que de payer pour leur mise en décharge. Cela rappelle le système des fumées de silices issues des hauts fourneaux, un exemple de la symbiose de Kalunborg où chaque déchet produit par une entreprise est valorisable par sa voisine.

 

 La composition des MIFA entraine une consommation en eau plus importante quʼun mortier classique, cela nuit à l’impact écologique du matériaux en comparaison du sable. Cependant les phosphates de calcium devraient relarguer une partie dʼeau ce qui permettrait au mortier dʼêtre hydraté plus longtemps et dʼaméliorer les résistances au delà de 28jours. Bien que les valeurs à 90 jours ne soient pas prises en compte dans la norme il serait intéressant de poursuivre dʼautres tests sur la question du rapport eau/ciment dans les mélanges. Pour éviter lʼaugmentation en eau, lʼaddition de fluidifiants pourrait permettre une maniabilité suffisante et éviter ainsi la chute des propriétés mécaniques du matériau dans les remplacements à 50%, 75% et 100%. Ces recherches pourraient également porter sur le temps de malaxage du mortier. Il a été remarqué durant lʼexpérimentation quʼune partie de lʼeau était reléguée après un temps de malaxage plus long du mélange.

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 BIBLIOGRAPHIE : - M. Aho, P. Ferre, Importance of coal ash composition in the boiler against chlorine deposition during combustion of chlorine-rich biomass, Fuel 84, 2005 - Jean-Emmanuel Aubert, Utilisation de déchets dans les bétons : exemple des cendres

volantes dʼincinérateurs dʼordures ménagères , INSA/UPS de Toulouse, 2003 - S. Baiotto, Modèle Viscoélastique de remodelage osseux, thèse de lʼUniversité Paris

XII-Val de Marne, 2004. - Philippe Benard, Etude de lʼaction des phosphates présents dans lʼeau de gâchage sur

lʼhydratation dʼun ciment Portland, thèse UMR-UB-CNRS, 2005 - Certu, Remblayage des tranchées - utilisation des matériaux autocompactants,

publication technique vertu, 1998 - M. Coutand, Etude technologique et environnementale des résidus dʼincinération de

farines animales dans la matrice cimentaire, évaluation écotoxique des matériaux et étude du piégeage des métaux. thèse INSA Toulouse, 2007

- M. Cyr, Contribution à la caractérisation des fines minérales et à la compréhension de

leur rôle dans le comportement rhéologique des matrices cimentaires, thèse INSA Toulouse et Université de Sherbrooke, 1999.

- J. Dorst, Avant que Nature se meure, Pour une écologie politique : Pour que nature

vive, éd. Broché, 2012. - H. Hebhoub, M. Belachia, Introduction de sable de déchet de marbre dans le béton

hydraulique, Université de Skikda, Algérie, 2010. - T. Keller, La valorisation énergétique des déchets par incinération, mémoire de fin

dʼétudes Majeure Finance, HEC - Augustin Marché, Ciments et mortiers, éd. Armand Colin, coll. « Génie civil », 1935 - E. Mejdoubi, "Elaboration et étude physico-chimique d'un ciment à base de phosphate

de calcium", Thèse de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, spécialité : Science des Matériaux, 1993

- B. Nabil, B.I Aguida, A. Aissa, Influence des ajouts de type addition calcaire sur les

caractéristiques mécaniques du béton de sable, Université Djillali Liabes, Algérie, 2006. - Weiping ma, Brown P.W. Effect of phosphate additions on the hydration of Portland

cementa, Advances in Cement Research, 6, N°21, pp.1-12. 1994

Page 30: VALORISATION DES MÂCHEFERS D’INCINERATION DE …seminairemateriaux.files.wordpress.com/2015/02/mc3a9moire_s_roca_labarre.pdfTest de maniabilité !! IV. Etude des caractéristiques

Séminaire de Recherche AMC2, Matériaux pour lʼEco-conception, ENSAPM 2014 Sarah Roca-Labarre

30

 

 

- Siwar Sakka, J. Bouaziz, F. Ben Ayed, Mechanical Properties of Biomaterials Based on Calcium Phosphates and Bioinert Oxides for Applications in Biomedicine, Licensee InTech, 2013

- V. Valanciene, Utilization of meat and bone meal bottom ash in ceramics,Thèse Kansas

University of Technology, 2011 - R. Visser J. van Doorn, Meat and bone meal as fuel, paper presented at the VDI-Hagung Zunkunttorienterte Entsorgung von Tiermehl/Tierfett, Dortmund, BRD, May 2001

       - K. Pereira, Sand mining - the « high volume-low value » paradox, 11 april 2012

http://www.aquaknow.net/en/news/sand-mining-high-volume-low-value-paradox/ - M.A Daye, Le sable disparait (et on en parle pas), 24/05/2013,

http://rue89.nouvelobs.com/rue89-planete/2013/05/24/sable-disparait-nen-parlons- 242635

- A. Loussouarn, Marchands de sable, les autres pilleurs dʼocéan, 24/05/13,

http://www.humanite.fr/environnement/marchands-de-sable-les-autres-pilleurs-d-ocean- 54217

Page 31: VALORISATION DES MÂCHEFERS D’INCINERATION DE …seminairemateriaux.files.wordpress.com/2015/02/mc3a9moire_s_roca_labarre.pdfTest de maniabilité !! IV. Etude des caractéristiques

Séminaire de Recherche AMC2, Matériaux pour lʼEco-conception, ENSAPM 2014 Sarah Roca-Labarre

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- Département Economie, Dossier Economie de lʼElevage, juillet 2011, n°415 - Rapport annuel Lafarge 2011, http://www.lafarge.fr/04112012-customers_activities-

cement_market_2011-fr.pdf - Rapport et documents pour une régulation durable du transport routier de

marchandises, par M. Savy et C. Daude,centre dʼanalyse stratégique, 2008 - Bilan Environnemental sur les filières du recyclage : lʼétat des connaissances ACV,

ADEME ref.4362, mai 2002. - Matériaux composites à renforts fibres naturelles dʼorigine végétale, Supplément

Technique n°7, décembre 2004. - CT-G, Caractéristiques et emplois des ciments, Infociment. - Document de travail des services de la commission sur la transformation, lʼélimination et

lʼutilisation de sous-produits animaux dans les états membres, Commission des Communautés Européennes, 2011.

- Note dʼInformation sur les émissions routières de polluants atmosphérique n°92, Sétra, CETE de Lyon, CETE Normandie-Centre