Operational approach for a sustainable management of dredged sediments in civil engineering

Afin de maintenir les activités maritimes et fluviales, plus de 50 Mm3 de sédiments sont dragués chaque année en France. Ces quantités importantes de sédiments constituent un enjeu technique, environnemental et économique majeur. Afin d’améliorer la gestion des sédiments, les gestionnaires et les maîtres d’œuvre doivent se doter d’outils leur permettant de prendre la meilleure décision quant à la filière de gestion et de valorisation. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de développer un outil d’aide à la décision pour l’optimisation des processus de traitement et de formulation des sédiments de dragage en vue d’une valorisation dans des applications du génie civil. 4 applications cibles ont été identifiées à savoir : les sous-couches routières, les bétons, les digues de protection contre les inondations et l’épandage agricole. Dans ce manuscrit, une synthèse bibliographique sur la problématique « sédiment » et les additions minérales issues de sous-produits industriels est présentée. L’architecture globale du logiciel, la démarche scientifique adoptée, ainsi que la modélisation mathématique des différentes contraintes techniques, environnementales et économiques, sont présentées et expliquées. Une validation du modèle de calcul du logiciel a également été réalisée à travers la simulation de projets réels. Les sédiments utilisés pour le développement de l’application « Béton » ont été caractérisés d’un point de vue physique, minéralogique et environnemental. L’optimisation du taux de substitution du sable par les sédiments a été réalisée à l’aide de la méthode d’empilement compressible (MEC) et les bétons ont été caractérisés à l’état frais et à l’état durci. Pour la matrice liante, le ciment a été substitué par des additions minérales issues de sous-produits industriels. Des éco-liants ternaires à base de laitiers, cendres volantes, métakaolin, verre broyé et sédiments traités par calcination flash ont été élaborés par la méthode des plans de mélange. Une étude de durabilité a été investiguée. Les résultats ont mis en évidence les différents désordres que pourrait engendrer la présence des sédiments dans un béton formulé avec les liants hydrauliques conventionnels (CEM I 52,5 N). Par ailleurs, l’utilisation des liants ternaires permet, en plus de réduire l’empreinte carbone du béton, d’améliorer considérablement ses performances mécaniques ainsi que sa durabilité.In order to maintain maritime and river activities, more than 50 Mm3 of sediment are dredged each year in France. These large amounts of sediment constitute a major technical, environmental and economic challenge. In order to improve the management of sediments, project managers need to equip themselves with tools that will enable them to take the best decision about the management and the valorisation field. In this context, this thesis aims at developing a decision-making tool for the optimisation of the treatment and formulation processes of dredged sediments for their valorisation in civil engineering applications. 4 target applications were identified, namely road sublayers, concrete, flood protection dikes and agricultural spreading. In this work, a literature review on the sediment issue and on mineral additions from industrial by-products is presented. The overall architecture of the software, the scientific approach and the mathematical modelling of the various technical, environmental and economic constraints are introduced and explained. A validation of the software’s calculation model was also carried out through the simulation of real projects. The sediments used for the development of the “Concrete” application were characterised from a physical, mineralogical and environmental point of view. The optimisation of the substitution rate of sand by sediments was performed according to the compressible packing method and concretes were characterised in both fresh and hardened states. For the binding matrix, cement was substituted by mineral additions from industrial by-products. Ternary eco-binders based on slag, fly ash, metakaolin, crushed glass and flash-calcined sediments were formulated using a mixture design. A study of the durability was carried out. Results highlighted the different disorders which could be generated by the presence of sediments in concrete formulated with traditional hydraulic binders (CEM I 52.5 N). Moreover, the use of ternary binders allows to reduce the concrete carbon footprint, as well as improve significantly its mechanical performance and durability