La présente étude traite du comportement de mâchefers d'incinération des ordures ménagères (MIOM) en scénario de valorisation (sous-couche routière), dans l'optique d'évaluer l'impact environnemental. La démarche mise en oeuvre associe des approches de caractérisation physico-chimique et minéralogique, d'expérimentation à différentes échelles (laboratoire et sites réels), et de modélisation hydro-géochimique. L'utilisation conjointe de différentes techniques d'investigation cristallochimique (microscopie optique, DRX, MEB, XRF, SIMS, EXAFS) ont permis d'apporter de nouvelles informations sur les teneurs en éléments traces des verres primaires et sur la spéciation de Pb dans une phase dite scoriacée. Le suivi des percolats issus d'une portion de route construite avec des mâchefers dix ans après la mise en service ainsi que l'observation des MIOM prélevés dans la sous-couche a fourni un retour d'expérience inédit tout en mettant en évidence le rôle prépondérant de l'hydrodynamique sur la stabilité du matériau et l'atténuation du caractère alcalin et chargé des eaux de percolation. Un modèle géochimique de MIOM a été élaboré à partir des données issus de l'étape de caractérisation, des résultats expérimentaux des essais de lixiviation et des informations recueillies lors du suivi de sites réels. Ce modèle a été appliqué pour simuler, via le code de calcul couplé géochimie-transport HYTEC, le comportement des éléments inorganiques et l'évolution minéralogique inhérent aux différents essais en laboratoire, à la portion de route suivie durant cette thèse et à un autre site réel faisant l'objet d'une étude suédoise.

Ce travail de recherche s'inscrit dans une dynamique de valorisation des sous-produits industriels locaux dans l'industrie cimentière. Il porte essentiellement sur la possibilité d'utiliser la poudre de mâchefer de charbon produit par la SONICHAR au Niger pour élaborer des ciments composés. Après une caractérisation physico-chimique et environnementale de la poudre de mâchefer, nous avons déterminé sa réactivité pouzzolanique et son indice d'activité mécanique. Les résultats montrent que la poudre de mâchefer présente une pouzzolanicité dont la cinétique relativement lente ne démarre pas avant 14 jours. D'autre part, ce mâchefer peut être considéré comme une addition minérale du type Il selon la norme EN 206-1 avec un indice d'activité de 0,76. C'est pourquoi nous l'avons utilisé pour élaborer trois ciments composés de type CEM 11/A avec une classe de résistance de 42,5 lorsque le taux de substitution est de 10% et une classe de résistance de 32,5 lorsque Je taux de substitution est de 15% et 20%. Des mortiers normaux ont été élaborés à partir de ces ciments et caractérisés sur les plans physiques et mécaniques. La durabilité des mortiers a également été étudiée notamment du point de vue de la cinétique de carbonatation et de lixiviation en présence de nitrate d'ammonium. Il ressort en définitive que la poudre de mâchefer peut bien être incorporée comme addition dans l’élaboration de ciments composés. Les caractéristiques mécaniques à long terme (90 jours) et la durabilité des mortiers confectionnés à partir de ces ciments sont conservées lorsque le taux de substitution n'excède pas 10%. / This research is part of a process of valorization of local industrial by-products in the cement industry. lt focuses on the possibility f using coal bottom ash powder produced by SONICHAR in Niger as cement partial addition. After a physicochemical and environmental characterization of the coal bottom ash powder, we determined its pozzolanic reactivity and it mechanical activity index. The results show that the coal bottom ash powder presents a pozzolanicity whose relatively slow kinetics do ne start before 14 days. On the other hand, this coal bottom ash can be considered as a mineral addition of type 11 according to the standard EN 206-1 with an activity index of 0.76. This is why we used it to develop three CEM 11/A composite cements with a strength class of 42.5 when the substitution rate is 10% and a strength class of 32.5 when the rate of substitution is 15% and 20%. Normal mortars have been formulated with these cements and are characterized physically and mechanically. The durability of the mortars has also been studied, in particular from the point of view of the kinetics of carbonation and leaching in the presence of ammonium nitrate. Finally, it appears that the coal bottom ash powder may indeed be incorporated as an addition in the preparation of composite cements. The long-term mechanical characteristics (90 days) and the durability of the mortars made from these cements are preserved when the substitution rate does not exceed 10%.

La valorisation de chaleur fatale industrielle en flux gazeux à haute température peut bénéficier de technologies de stockage thermique thermocline, fonctionnant sur la base d’un matériau de stockage céramique et d’un caloporteur gazeux (air). La diversité des gisements de chaleur fatale et des débouchés potentiels met en évidence la nécessité d’un procédé de stockage versatile et robuste. Ce travail de thèse consiste à accompagner le développement de l’entreprise Eco-Tech Ceram, dont les deux activités sont le développement d’une unité de stockage thermique, et le développement de matériaux céramiques issus de sous-produits industriels destinés à une utilisation dans de telles unités. Concernant l’axe stockage, il s’agit de réaliser une validation expérimentale du concept EcoStock via des essais sur des pilotes représentatifs, notamment concernant la sensibilité des performances au débit de décharge, et à la nature de la ressource thermique disponible en charge (débits et températures d’entrées variables).Concernant l’axe matériau, il s’agit de développer une céramique frittée issue de mâchefer d’incinérateur, et destinée à une utilisation en tant que matériau de garnissage dans un système thermocline à lit en vrac, via une approche expérimentale, dans une démarche d’écologie industrielle et avec l’objectif de diminuer autant que possible les coûts de production et les impacts environnementaux, en calquant les méthodes d’élaboration sur celles des céramiques de batiment (briques et tuiles) dont les capacités industrielles sont pré-existantes. r. / The recovery and valorization of high-temperature gaseous waste heat streams can benefit from the development of thermocline thermal energy storage, based on the use of a ceramic material as a solid filler and gases (including air) as heat transfer fluid. The wide diversity of waste heat streams implies developping a versatile and robust system, able to operate in such various conditions.This thesis aims at supporting the development of the company Eco-Tech Ceram, which focuses on developing a compact thermocline air/ceramic thermal storage unit (named EcoStock), and developing ceramics produced from industrial inorganic byproducts, designed to be used as thermal energy storage material. Regarding the « thermal storage » topic, this thesis is focused on the experimental validation of the EcoStock concept, through experimental campaigns on a representative pilot-scale system, especially regarding the influence of operating conditions over performances, and the sensitiviy of the system’s efficiency when discharged at different power level, or charged with low-quality heat streams (varying mass flow rate and inlet temperature during charging phase). Regarding the « ceramic » topic, this thesis is focused on developing a sintered ceramic based on municipal waste incinerator bottom ashes compatible with high temperature thermocline system, with an experimental approach, taking in consideration industrial potential of such ceramics by making industrial mass production of such material realistic, using already widely available industrial processes from the bricks and tiles industries.Keywords: thermal storage, thermocline, experimental validation, waste heat, high temperature, sintered ceramics, incinerator bottom ash valorization.

Les mâchefers sont les résidus solides issus de la combustion des ordures ménagères dans des fours d’usine d’incinération. L’utilisation des mâchefers dans le domaine du Génie Civil est une voie de valorisation très intéressante car les quantités d’ordures ménagères sont de plus en plus importantes alors que les matériaux utilisés dans les travaux publics se raréfient. Les mâchefers ont été utilisés depuis des dizaines d’années dans le domaine du Génie Civil. Cependant, les caractéristiques mécaniques du matériau « mâchefer » ne sont pas très bien connues. Ce travail de thèse contribue à l’amélioration des connaissances des caractéristiques mécaniques des mâchefers.Après une caractérisation géotechniques (paramètres de nature, paramètres mécaniques, paramètres d’état), chimiques et environnementales, le potentiel d’utilisation de ces mâchefers est évalué selon la Circulaire du 9 mai 1994 et selon le Guide technique SETRA-LCPC 2000 « Réalisation des remblais et des couches de forme ».Dans la partie expérimentale, des essais oedométriques et triaxiaux sont effectués. En ce qui concerne des essais oedométriques, l’effet de l’énergie de compactage et de l’immersion des éprouvettes ainsi que l’effet de la vitesse de chargement de l’essai sont évalués. L’effet de la vitesse de chargement est également étudié par des séries d’essais triaxiaux. Grâce aux essais triaxiaux, les paramètres mécaniques comme le module d’Young, le coefficient de Poisson, l’angle caractéristique, l’angle de dilatance, la cohésion et l’angle de frottement ont été ainsi déterminés. Ces paramètres mécaniques propres au mâchefer étudié pourront être intégrés dans un schéma de dimensionnement spécifique aux structures de chaussées à base de mâchefers. Ces principaux paramètres permettent d’évaluer l’influence de la pression de confinement effective. Les évolutions du module de déformation selon la déformation axiale et de la variation du déviateur de pression selon la pression moyenne sont également étudiées. Un ensemble de points caractérisant l’état limite a été déterminé à partir des essais triaxiaux. Il caractérise la forme de la surface de charge de ce type de mâchefer.Enfin, les essais triaxiaux ont été simulés. Cette partie du travail contribue à la modélisation du comportement mécanique des mâchefers. Le modèle de Mohr-Coulomb et de Nova sont choisis pour caractériser l’évolution de matériau « mâchefer » sous l’effet d’actions mécaniques extérieures. Ce sont des exemples types de modèles de comportement des sols complètement identifiables uniquement sur des essais triaxiaux classiques. La simulation des essais triaxiaux est réalisée à l’aide du progiciel CESAR-LCPC. Les résultats de modélisations obtenues sont très prometteurs. / Bottom ash is the solid residua coming from domestic waste combustion in the furnace of incineration factory. The utilization of bottom ash in the field of Civil Engineering is necessary because the municipal wastes are increasing causes many environmental problems while the materials of Civil Engineering dwindle. The bottom ash was used for a decade in the field of civil engineering; however the mechanical characteristics of material “bottom ash” are not very well known. This work of thesis contributes to improving knowledge of the mechanical characteristics of bottom ash. After the determination of the geotechnical characteristics (parameters of nature, mechanical parameters, parameters of state), chemical and environmental characteristics, the potential of use of these bottom ash is evaluated according to the « Circulaire de 9 Mai, 1994 » and according to the technical guide SETRA-LCPC 2000 « Réalisation des remblais et des couches de forme ».In the experimental part, the oedometric and triaxial tests are carried out. For oedometric tests, the effect of compaction energy and immersion of specimens as well as the effect of the loading rate of the test were evaluated. The effect of loading rate is also evaluated by some sets of triaxial tests. From the triaxial tests, the mechanical parameters such as the Young’s modulus, the Poisson‘s ratio, the characteristic angle, the dilatancy angle, the cohesion and the friction angle were determined. These mechanical properties are specific to the material and can be integrated in a diagram of dimensioning specific to the structures of roadways based on bottom ash. The studied principal parameters allow us to evaluate the influence of the effective confining pressure. The evolution of the deformation modulus versus to the axial deformation and finally, the variation of the deviator stress versus to the mean effective pressure were also analyzed. A set of points of the yielding state was determined from triaxial tests and it specifies significantly the shape of yielding surface of our bottom ash.Finally, the triaxial tests were simulated numerically. This part is a contribution to the modelling of the mechanical behaviour of bottom ash. The model of Mohr-Coulomb and Nova were chosen to characterize the evolution of the material “bottom ash” under the influence of external mechanical actions. These are typical examples of model soil completely identifiable only through traditional triaxial tests. The simulation of triaxial tests is carried out using the CESAR-LCPC software. The results are found to be promising.

L’enjeu actuel autour de la gestion des MIDND est de valoriser, dans la mesure du possible, les mâchefers sur les chantiers routiers à maîtrise d’ouvrage publique ou privée, tout en tenant compte de la réglementation en vigueur et en réalisant un suivi rigoureux dès l’élaboration jusqu’à leur mise en place. Un des freins de la valorisation des MIDND est relatif aux critères de qualité de plus en plus contraignants. Parmi les polluants potentiels qui peuvent entrainer des restrictions environnementales d’utilisation, les éléments trace métalliques (ETM), dont le comportement en fonction des paramètres que sont la maturation et la granulométrie reste peu connu, sont des plus préoccupants. Dans cette thèse, l’approche développée a permis de définir les conditions favorables au relargage des ETM suivants : Cu, Cr, Pb, Sb, Ni et Zn. La démarche scientifique s’articule autour de trois grands axes : Le premier axe concerne le développement d’une méthode de caractérisation pertinente des MIDND (notamment de la fraction organique et de la fraction minérale polluante) afin de pouvoir mieux juger de leurs qualités. La matrice initiale d’étude prélevée sur un site industriel ainsi que ses fractions granulométriques, ont été finement analysée, tant d’un point de vue physico-chimique qu’en ce qui concerne leur comportement environnemental. La modélisation géochimique basée sur ces données physicochimiques et de lixiviation permet d’identifier des phases majoritaires et de simuler le comportement du matériau dans la perspective de prévoir l’évolution du MIDND en conditions spécifiques de stockage ou de valorisation. Le deuxième axe décrit l’impact des conditions de maturation, et du fractionnement granulométrique sur l’évolution de la qualité des MIDND. Trois différentes conditions de maturation (naturelle sur plate-forme; accélérée sur petit tas; forcée) ont été étudiées. Les résultats montrent que les changements dans la composition chimique et minéralogique des MIDND étudiés et de leurs fractions granulométriques sont plus significatifs lorsque la maturation progresse. La maturation naturelle accélérée et la carbonatation forcée limite la lixiviation du Cu, du Pb et du Zn. Au contraire, la lixiviation du Cr, de Sb, des Cl- et des SO42- augmente lorsque le pH diminue. Le troisième axe est dédié à l’étude de l’utilisation des MIDND comme matière première secondaire dans un scénario de valorisation alternatif aux utilisations en sous-couches routières classiquement pratiquées. Le scénario consiste à incorporer les MIDND dans un coulis auto-compactant utilisable pour l’élargissement de chaussées ou le comblement de fossés. Une formulation a pu être définie. La conformité des performances mécaniques, géotechniques et environnementales aux spécifications d’usage normalisées, est encourageante pour les potentiels utilisateurs des MIDND en technique routière. / Current challenge of Municipal Solid waste Incineration (MSWI) bottom ash management lays in its valorization, mainly to be used in road construction projects. The process must take into account environmental regulations and conduct rigorous monitoring from production to utilization. One constraint in the assessment of MSWI bottom ash is related to quality criteria which is becoming more restrictive. Among potential pollutants that can cause environmental use restrictions are metal trace elements (MTE), whose behavior based on weathering and grain size is not yet well known and represent one of greatest concern. In this thesis, the developed research approach defined the favorable conditions for Cu, Cr, Pb, Sb, Ni and Zn release. The aforementioned approach is based on three pillars: The first pillar focuses on the development of a pertinent characterization method for bottom ash (including the polluting organic and mineral fraction) aiming at a better assessment of its properties. The initial study matrix, taken from an industrial site, was carefully analyzed from both, physico-chemical and environmental performances. Geochemical modeling based on physico-chemical and leaching data, allowed to identify the main mineral phases and to simulate material behavior with the purpose of predicting the evolution of MSWI bottom ash in specific storage or valorization conditions. The second pillar describes the impact of weathering conditions and size partitioning on MSWI bottom ash quality evolution. Three different weathering conditions (natural on industrial scale heap; accelerated on small heap; and forced) were studied. The results showed that changes in the chemical and mineralogical composition of MSWI bottom ash as well as in its size fractions are more significant when the weathering proceed. The natural accelerated weathering and the forced carbonation limited the leaching of Cu, Pb and Zn, whereas, the leaching of Cr, Sb, Cl and the SO42- increased as pH decreased. The third pillar focuses on the study of MSWI bottom ash alternative utilization as secondary raw material for the typically practiced road sub-layers construction. It consisted of incorporating MSWI bottom ash in a self-compacting material used for pavement sub-layer or coated road shoulders structures. A formulated material was obtained by mixing MSWI bottom ash, water and cement as a hydraulic binder. The results of the mechanical, geotechnical and environmental assessment are promising for MISWI bottom ash potential use in road construction.