The recycling of low-contaminated urbain soils in earthworks : the behavior of pollutants in the treated and compacted soil

Dans le cadre général de la préservation des ressources naturelles, cette thèse vise la valorisation des sols urbains excavés lors des opérations de terrassements. Compte tenu de leur forte hétérogénéité et de leur histoire perturbée, les sols urbains restent assez mal caractérisés du point de vue géotechnique et environnemental. De plus leurs spécificités ne permettent pas en général d’appliquer les guides réglementaires actuellement disponibles qui ont pour objet l’encadrement de la réutilisation de matériaux dans les domaines du génie civil. La première partie du travail de thèse a consisté en une caractérisation géotechnique, chimique et minéralogiques de deux sols urbains excavés à plus d’un mètre de profondeur en région parisienne dans une zone industrielle (à Boulogne Billancourt) et dans une zone proche du périphérique parisien (à Ivry-sur-Seine). Cette étape a permis de mettre en évidence certaines caractéristiques communes : des classifications géotechniques proches (C1B5/C1A1 selon le GTR), une teneur remarquable en carbone organique, des quantités non négligeables (en contenu total) d’éléments trace métalliques et de sulfates, et enfin une composition complexe avec une composante naturelle et anthropique mise en évidence par un essai de tri importé du domaine des granulats. Cette dernière composante comprend des briques, du gypse (porteur principal du soufre et du strontium), des éléments à base de béton ainsi que des scories (magnétiques et non magnétiques), principales phases porteuses des phases métalliques et carbonées respectivement. A l’aide d’une approche en régression linéaire, la répartition des artefacts anthropiques a été évaluée dans les différents compartiments granulométriques du sol, ce qui permet d’appréhender les processus de dégradation naturels des sols urbains (fragmentation des phases accompagnée d’un transfert de polluants).Selon la réglementation environnementale basée sur des essais de lixiviation, les polluants métalliques ne montrent pas une mobilité (lixiviation) critique. Néanmoins ces sols ne sont pas considérés comme des déchets inertes du fait de leur teneur élevé en contenu total en carbone organique et d’un relargage trop élevés en sulfates (principal polluant du sol), en fluorure et en antimoine. Les performances mécaniques requises pour un usage routier après un traitement avec 5% de ciment ainsi que l’aptitude au traitement avec un traitement à 1% de chaux pour un usage en remblai ont été validées, et ce en dépit de la présence des polluants perturbateurs (notamment les sulfates). Les propriétés de perméabilité des sols urbains compactés (à l’OPN ou l’OPM) avec ou sans traitement ont permis d’étudier le transfert des polluants dans des conditions proches de celles in situ. Si le traitement à la chaux semble augmenter la perméabilité, le traitement au ciment semble fortement la diminuer sur certaines éprouvettes (absence d’écoulement sous 5 kPa de charge hydraulique). Les traitements pourraient également avoir un effet sur le relargage de certains polluants si on se base sur les résultats de test de lixiviation à pH 12 avec tantôt un effet inhibiteur (pour Ba, Sb, Mo Ni voire As), tantôt un effet activateur (pour Cu ou V voire As). Enfin, un essai d’immersion sur monolithe qui met en avant la diffusion des polluants plutôt que leur percolation sous l’effet d’une charge hydraulique complète le panel des expériences pour observer le transfert des polluantsThis work fits in the protection of natural resources. It aims the valorization urban soils excavated during earthworks. Given their high degree of heterogeneity and disturbed history, urban soils remain poorly characterized from a geotechnical and environmental point of view. In addition, their specificities generally do not allow the application of currently available regulatory guides, the purpose of which is to supervise the reuse of materials in the fields of civil engineering. The first part of this work consisted of a geotechnical, chemical and mineralogical characterization of two urban soils. These soils were excavated more than one meter deep in the Paris region in an industrial area (in Boulogne Billancourt) and in an area near the Paris peripheral road (in Ivry-sur-Seine). This step made it possible to show some common characteristics: close geotechnical, gypsum (main support of sulfur and strontium), elements based on concrete and slags (magnetic and non-magnetic), important phases falling respectively to classifications (C1B5 / C1A1 according to the RTM), a remarkable content of organic carbon, significant amounts (in total content) of metallic trace elements and sulphates, and finally a complex composition with a natural and anthropogenic component evidenced by a test of sorting imported from the field of aggregates. This latter component comprises bricks, gypsum (main support of sulfur and strontium), concrete-based elements as well as slags (magnetic and non-magnetic), main phases respectively carrying the metallic and carbon phases. Using a linear regression approach, the distribution of anthropogenic artifacts was evaluated in the different soil size compartments, which allows understanding the natural processes of urban soil degradation (phase fragmentation accompanied by pollutant transfer).According to environmental regulations based on leaching tests, metallic pollutants do not exhibit critical mobility (leaching). However, these soils are not considered inert waste because of their high total organic carbon content and their excessive release of sulphates (the main soil pollutant), fluorine and antimony. The treatment with 1% lime for use in backfill has been validated, despite the mechanical performance required for road use after treatment with 5% cement and the suitability for treatment with the presence of disturbing pollutants (in especially sulphates). The permeability properties of compacted urban soils (OPN or OPM) with or without treatment have made it possible to study the transfer of pollutants under conditions close to those in situ. If the lime treatment seems to increase the permeability, the treatment with cement seems to strongly reduce it on certain test pieces (no flow below 5 kPa of hydraulic load). The treatments could also have an effect on the release of certain pollutants from the results of the leaching test at pH 12 with sometimes an inhibitory effect (for Ba, Sb, Mo Ni or As), sometimes an activating effect (for Cu or V or As). Finally, an immersion test on a monolith showing the diffusion of pollutants rather than their percolation under the effect of a hydraulic load completes the panel of experiments to observe the transfer of pollutant