Filière Liants de Substitution

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Préambule

Ce document fait partie d’une série rédigée dans le cadre d’un contrat de collaboration de recherche entre INSAVALOR SA et sa plateforme PROVADEMSE et la SARL TRINOV intitulé « Contribution au développement d’un outil de diagnostic et de mise en place de stratégies d’écologie industrielle en terme de gestion des déchets entre différentes PME d’un même territoire » et appartient conjointement et à parts égales à INSAVALOR-plateforme PROVADEMSE et à TRINOV. Les cahiers des charges ainsi établis synthétisent les données disponibles dans la littérature scientifique et technique et des avis d’experts pour un certain nombre de filières de gestion et de traitement appartenant à une liste définie spécifiquement pour cette étude. Ils visent à définir les paramètres et les critères (positifs ou négatifs) conditionnant l’entrée de déchets, d’une manière générale, dans les filières de gestion/traitement/valorisation concernées. Pour toute validation de l’orientation d’un flux de déchet donné vers une installation, il conviendra de compléter cette approche en se reportant au cahier des charges et arrêtés d’exploitation spécifiques à l’installation considérée.

Introduction

Contrairement aux autres cahiers des charges filières établis dans le cadre de l’étude « Contribution au développement d’un outil de diagnostic et de mise en place de stratégies d’écologie industrielle», celui-ci ne concerne pas une filière de traitement/valorisation de déchets clairement définie (comme une unité de méthanisation, une usine de recyclage du papier,…) mais l’utilisation d’un déchet en tant que Matière Première de Substitution (MPS). Pour ce cahier des charges, nous nous intéressons donc à définir les critères permettant à un déchet d’être utilisé en tant que liant de substitution. Pour cela, il faut généralement que le matériau considéré soit conforme à la normalisation.

Définitions des différents types de liants

Liants minéraux

Selon leur mode de durcissement, ils sont classés en deux familles :

  • Les liants hydrauliques durcissant en milieu humide ou dans l’eau suite à une réaction d’hydratation. Le plus connu est le ciment.
  • Les liants aériens durcissant à l’air par une réaction de carbonatation. Il s’agit par exemple de chaux aériennes, de plâtres ou d’argiles.

Ciments

Les constituants du ciment sont :

  • clinker Portland (K)
  • laitier granulé de haut fourneau (S)
  • pouzzolanes naturelles (Z)
  • cendres volantes
  • schistes calcinés (T)
  • calcaires (L)
  • fumées de silice (D)
  • constituants secondaires
  • fillers (F).
  • additifs

Ces constituants présentent l’une ou plusieurs des propriétés suivantes :

  • Des propriétés hydrauliques, c'est-à-dire qu’ils forment par réaction avec l’eau des composés hydratés stables très peu solubles dans l’eau.
  • Des propriétés pouzzolaniques, c'est-à-dire qu’ils ont la faculté de former à des températures ordinaires et en présence d’eau, par combinaison avec la chaux, des composés hydratés stables.
  • Des propriétés physiques qui améliorent certaines qualités du ciment (augmentation de la maniabilité, de la compacité, diminution du ressuage, …).

Tous les ciments produits en France sont normalisés. Les ciments courants bénéficient d'un double marquage, CE et NF, qui attestent de leur conformité à la norme européenne EN 197-1. D’autres normes existent concernant soit des propriétés particulières (prise en mer, agressions chimiques particulières, …) soit des ciments ayant des normes entièrement spécifiques (exemple : ciment prompt naturel).

Les ciments courants sont divisés en cinq types suivant leur composition :

  • CEM I : Ciment portland
  • Cem II : Ciment portland Composé
  • Cem III Ciment de haut fourneau
  • Cem IV : Ciment pouzzolanique
  • Cem V : ciment composé.

Liants hydrauliques routiers ou LHR (1)

En complément des ciments normalisés, se sont développés, à partir des années 1980, des liants dénommés « liants hydrauliques routiers ou LHR », mis au point spécialement pour une utilisation en traitement des sols en place ou en centrale, pour la confection de matériaux d'assises de chaussées et pour le retraitement en place à froid des anciennes chaussées.

Ce sont des liants composites obtenus par mélange et/ou broyage de clinker ou de coproduits de l'industrie (laitiers, pouzzolanes, cendres volantes, etc.).

Les principes d'action des liants hydrauliques routiers ne sont pas fondamentalement différents de ceux des ciments car on y retrouve, mais en proportions différentes, les mêmes constituants et donc des phénomènes de prise hydraulique de même nature, mais le plus souvent avec des cinétiques spécifiques.

Liants bitumineux

Les liants bitumineux sont des liants hydrocarbonés. Ils sont classés selon l’origine du bitume (naturelle ou dérivée du pétrole). Les liants bitumineux issus du pétrole sont différenciés selon leur structure (bitume pur, bitume fluidifié, etc.) et leur usage (routier ou industriel).

Ressources alternatives – déchets concernés

Critères généraux de valorisation en MPS

MPS dans la fabrication du ciment

La norme européenne EN 197-1 (avril 2001) indique la dénomination de l’ensemble des ciments, répertorie de manière précise leur composition et dresse les champs d’application. Le tableau ci-dessous présente les différents types de ciment et leur composition massique.

CEM V/B
Famille Type de ciment Composition (% massique de certains composants)
Clinker Liaitier de haut fourneau Cendres volantes. Silicieuses ou calciques Schistes calcinés
K S V W T
CEM II

Ciment Portland au laitier

CEM II/A-S

80-94

6-20

CEM II/B-S

65-79

21-35

Ciment Portland aux cendres volantes

CEM II/A-V

80-94

6-20

CEM II/B-V

65-79

21-35

CEM II/A-W

80-94

6-20

CEM II/B-W

65-79

21-35

Ciment Portland aux schistes calcinés

CEM II/A-T

80-94

6-20

CEM II/B-T

65-79

21-35

CEM III

Ciment de haut fourneau

CEM III/A

35-64

36-65

CEM III/B

20-34

66-80

CEM III/C

5-19

81-95

CEM V

Ciment composé

CEM V/A

40-64

18-30

18-30*

20-38

31-50

31-50*

  • % en mélange avec la pouzzolane

Les MPS doivent être conformes aux spécifications de cette norme.

MPS dans la fabrication d’autres liants hydrauliques

Les liants hydrauliques routiers font l’objet de deux normes européennes :

  • NF EN 13282-1 « Liants hydrauliques routiers à cinétique rapide – Composition, spécification et critères de conformité » ;
  • NF EN 13282-2 « Liants hydrauliques routiers à cinétique normale – Composition, spécification et critères de conformité ».

Les mélanges et sols traités font l’objet de la série de normes NF EN 14-227 « Mélanges traités aux liants hydrauliques – Spécifications ».

L’utilisation de MPS dans ces domaines doit être conforme à ces normes.

MPS dans la fabrication de liants bitumineux

Les liants bitumineux font l’objet de plusieurs normes européennes dont :

  • NF EN 12591 « Bitumes et liants bitumineux - spécifications des bitumes routiers » - décembre 1999 ;
  • NF EN 13808 « Bitumes et liants bitumineux Cadre de spécifications pour les émulsions cationiques de liants bitumineux » - septembre 2005 ;
  • NF EN 13924 « Bitumes et liants bitumineux Spécifications des bitumes routiers de grade dur décembre » - 2006 ;
  • NF EN 14023 « Bitumes et liants bitumineux - Cadre de spécifications des bitumes modifiés par des polymères » - mars 2006.

L’utilisation de MPS dans ces domaines doit être conforme à ces normes.

Déchets concernés et emplois

Laitiers de haut fourneau vitrifié

Les laitiers de haut fourneau sont aujourd’hui couramment valorisés en tant que liant hydraulique dans l’industrie cimentière et routière (1,7 Mt en 2009 (2) (3)).

Les laitiers granulés de hauts fourneaux, tels que définis dans la norme EN 197-1 sont utilisés pour composés des ciments CEM II, CEM III et CEM V. Ces laitiers contiennent notamment « au moins deux tiers en masse de laitiers vitreux et présentent des propriétés hydrauliques après avoir subi une activation convenable ».

Les laitiers granulés peuvent être utilisés dans des bétons, notamment conformément aux normes EN 206-1 (BPE), NF EN 15167-1 (Laitier granulé de haut-fourneau moulu pour utilisation dans le béton, mortier et coulis) et NF EN 15167-2 (conformité des laitiers).

Les laitiers peuvent être également utilisés pour constituer des graves traitées conformément à la norme NF EN 14227-2 - Mélanges traités aux liants hydrauliques - Spécifications - Partie 2 : Mélanges traités au laitier ou bien pour le traitement de sol, conformément à la norme NF EN 14227-12 - Mélanges traités aux liants hydrauliques - Spécifications - Partie 12 : sol traité au laitier.

Cendres volantes de charbon

Les cendres volantes sont des matériaux issus de chaudières alimentées au charbon. On distingue les cendres volantes siliceuses ayant des propriétés pouzzolaniques des cendres volantes calciques ayant des propriétés hydrauliques et/ou pouzzolaniques. Ces cendres sont entre autre utilisées dans la fabrication de bétons (prêts à l’emploi, de chantier,…) et comme matières premières et constituants dans la fabrication du ciment.

Les cendres volantes présentent des caractéristiques de liant hydraulique ou pouzzolanique selon leur nature :

Certaines cendres volantes de houille silico-alumineuses de LFC (lit fluidisé circulant) sont commercialisées ainsi que des cendres volantes silico-alumineuse et calciques en tant que liant routier à prise pouzzolanique.

Seules les cendres volantes issues de chaudières alimentée au charbon peuvent être utilisés dans les ciments conformes à l’EN 197-1. Les spécifications des cendres pouvant être utilisées en ajout sont décrites dans l’EN 197-1.

Les cendres volantes peuvent être utilisées en addition dans les bétons conformément à la norme EN 206-1. Elles doivent être conformes à l’EN 450 ou l’EN 450-1. Elles peuvent également être utilisées pour traiter des graves (NF EN 14227-3 et NF EN 14227-4) ou des sols (NF EN 14227-14).

Fumée de silice

La fumée de silice est un résidu contenu dans les gaz dégagés lors de la fabrication du silicium métal et de ses alliages dans les fours électriques. Appréciée pour ses propriétés pouzzolaniques, elle est utilisée en addition dans les bétons conformément à la norme EN 206-1 et permet d’obtenir de très bonnes performances mécaniques. Les spécifications de ces fumées de silices sont définies dans la norme NF EN 13263-1.

Cendres de boues de STation d’EPuration des eaux usées (STEP)

Les boues de STEP peuvent être incinérées dans des incinérateurs dédiés sur les sites des stations d’épuration ou en co-incinération avec les déchets ménagers en UIOM. La valorisation possible des cendres de boues de STEP ne peut être étudiée que dans le cas d’incinération dédiée. La valorisation de ces cendres en liants de substitution est actuellement à l’étude sur certains sites.

Bétons de démolition

Les fines issues du concassage des bétons de démolition peuvent potentiellement être utilisées comme filler réactif.

Agrégats d’enrobés bitumineux

Plusieurs types de recyclage des produits bitumineux sont actuellement pratiqués par les entreprises de travaux publics : recyclage à chaud, en centrale ou en place et retraitement à froid, en centrale ou en place. Ces techniques, connues des spécialistes, régénèrent le bitume par l’apport d’adjuvants (recyclage à chaud) ou d’émulsions de bitumes (recyclage à froid).

Les agrégats d’enrobés sont des mélanges de granulats, de liants bitumineux et d’autres additifs. La norme NF EN 13108-8 «  Spécifications des matériaux –mélanges bitumineux – agrégats d’enrobés » spécifie les exigences pour la description et la classification des agrégats d’enrobés en vue de leur utilisation comme constituant des mélanges bitumineux.  

Bibliographie

1. ABDO, Joseph. Liants hydrauliques routiers. Techniques de l'Ingénieurs. [En ligne] février 2009. http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/construction-th3/les-routes-les-ponts-et-les-parcs-de-stationnement-42235210/liants-hydrauliques-routiers-c921/gamme-de-produits-c921niv10006.html#6.1.

2. CTPL. Laitiers sidérurgiques. novembre 2010, n°96.

3. —. Les laitiers sidérurgiques, ses sous-produits industriels valorisés de longue date. [1] Dossier de presse  : s.n., 2009.

4. CSTB ; Insavalor Division POLDEN. Analyse des besoins et des marchés pour le recyclage, voies possibles de valorisation pour les matières premières secondaires issues de la déconstruction. [auteur du livre] Coordination BRGM. Projet ANR ASURET. 2011.