Des quantités importantes de cendres (4,12 million kg en France en 2008) sont issues de l'incinération des boues de station d'épuration. La valorisation de ces cendres comme matière première secondaire pour l'élaboration de matériau dans le domaine du bâtiment et des travaux publics (BTP) a été étudiée dans cette thèse. La caractérisation physique et chimique des cendres et l'étude de leur réactivité ont révélé un comportement intermédiaire entre le ciment et le sable, proche du comportement de matériaux pouzzolaniques. Les tests de lixiviation réalisés sur les cendres ont montré qu'à l'exception du Se et du Mo, les éléments présents dans les cendres sont solubilisés à des concentrations inférieures aux seuils définis règlementairement pour les déchets inertes ou non-dangereux. Les liens entre la solubilisation des éléments et la minéralogie des matériaux ont été étudiés à travers la modélisation géochimique réalisée sous PhreeqC. L'influence du taux de substitution du ciment par les cendres sur les propriétés mécaniques des matériaux a également été étudiée. L'indice d'activité à 28 jours de la cendre est conforme à la spécification de la norme EN 450-1. La résistance du mortier diminue quand le taux de substitution augmente à cause de la faible teneur en CaO dans les cendres et de l'apport supplémentaire d'eau nécessaire. Pour le béton avec un taux de substitution de 10 %, la résistance est comparable à celle du béton témoin. L'essai de durabilité des matériaux cimentaires incorporant les cendres révèle une forte diminution de résistance mécanique sous l'effet de la sollicitation au gel/dégel. Une évaluation environnementale de ces matériaux a été réalisée par l'essai de lixiviation à l'échelle du laboratoire et à l'échelle pilote. Les quantités relarguées cumulées des éléments polluants et des anions sont inférieures aux seuils sans impact environnemental, acceptables en construction aux Pays-Bas et en France.

Des quantités importantes de cendres (4,12 million kg en France en 2008) sont issues de l’incinération des boues de station d’épuration. La valorisation de ces cendres comme matière première secondaire pour l’élaboration de matériau dans le domaine du bâtiment et des travaux publics (BTP) a été étudiée dans cette thèse. La caractérisation physique et chimique des cendres et l’étude de leur réactivité ont révélé un comportement intermédiaire entre le ciment et le sable, proche du comportement de matériaux pouzzolaniques. Les tests de lixiviation réalisés sur les cendres ont montré qu’à l’exception du Se et du Mo, les éléments présents dans les cendres sont solubilisés à des concentrations inférieures aux seuils définis règlementairement pour les déchets inertes ou non-dangereux. Les liens entre la solubilisation des éléments et la minéralogie des matériaux ont été étudiés à travers la modélisation géochimique réalisée sous PhreeqC. L’influence du taux de substitution du ciment par les cendres sur les propriétés mécaniques des matériaux a également été étudiée. L’indice d’activité à 28 jours de la cendre est conforme à la spécification de la norme EN 450-1. La résistance du mortier diminue quand le taux de substitution augmente à cause de la faible teneur en CaO dans les cendres et de l’apport supplémentaire d’eau nécessaire. Pour le béton avec un taux de substitution de 10 %, la résistance est comparable à celle du béton témoin. L’essai de durabilité des matériaux cimentaires incorporant les cendres révèle une forte diminution de résistance mécanique sous l’effet de la sollicitation au gel/dégel. Une évaluation environnementale de ces matériaux a été réalisée par l’essai de lixiviation à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Les quantités relarguées cumulées des éléments polluants et des anions sont inférieures aux seuils sans impact environnemental, acceptables en construction aux Pays-Bas et en France. / High quantity (4.12 million kg in France in 2008) of ashes produces from the incineration of sewage sludge. The reutilization of these ashes as secondary raw materials in the building and public works was studied. A physical, chemical, mineral, and behavioral characterization showed that the sewage sludge ash have an intermediate behavior between the cement and sand, near the pozzolan. Most elements had lower release rates than limited value of inert waste or non-hazardous waste, with the exception of the leachable fraction of Se and Mo. A relationship between solubilization of elements and mineralogy of materials were studied by modeling for phase identification of the ashes. A technique part was studied to evaluate the influence of the residue (sewage sludge ash) on the mechanical properties of materials. The activity index of the ash met the specification of EN450-1 in 28 days. The strength of the mortar decreased when the substitution increased due to the high amount of water added and the low CaO content in the ash. For concrete with a substitution of 10%, the compression strength was comparable to the blank sample, and was satisfactory to the threshold of construction projects. However, the durability test showed a strong decrease of mechanical strength for the concrete containing the ashes after a freeze/thaw. An assessment of environmental impacts associates with the observation of the leaching behavior of these materials. The leaching test at laboratory scale and pilot scale were investigated. The cumulative leaching quantities of each pollutant and anions were below the threshold, without significant environmental impact, acceptable for the construction in Netherlands en in France.

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.