Solidification/Stabilization of harbor sediments using GGBS-based hydraulic binders
Solidification/Stabilisation des sédiments portuaires à l’aide des liants hydrauliques à base de laitier de haut-fourneau
Résumé
The accumulation of sediment particles in coastal areas arises from physical, chemical, and biological processes. Anthropogenic activities dramatically increase the sedimentation rate. Sediments may contain chemical contaminants including heavy metals (HM) and are consequently a risk to the aquatic environment and human health. Regular dredging of important shipping lanes in large industrial ports is required and this produces around 100-200 million m3 of contaminated dredged material per year. Therefore, proper treatment of the contaminated sediments is necessary, with Solidification/Stabilization (S/S) remediation technology at the forefront.The current study is specifically interested in the treatment of sediment originating in the Dublin Port for its potential reuse as a fill material for the Alexandra Basin Redevelopment Project. The sediment is contaminated with heavy metals and must be stabilized by S/S technology using a hydraulic binder. This research proposes the use of ground granulated blast furnace slag (GGBS) as an alternative binding agent to the widely used Portland cement. The objective of this study is therefore to develop an appropriate GGBS-based binder to provide the required engineering properties for further reuse of the newly formed solidified material by focusing on understanding the mechanisms having a role in the solidification of the treated sediment, but also in the stabilization of heavy metals.The compressive strength of the range of GGBS-based formulations was assessed with the UCS test and compared to the OPC-based treatment. GGBS activated by a small amount of Portland cement demonstrated a considerable increase in strength over time while that of only OPC showed a degradation of mechanical properties. To explain the obtained results, XRD, shrinkage, and microstructure investigations were conducted. In addition, the interaction of the binders with the clay fraction, organic matter, and trace metals, which were found in the studied Dublin sediments, was assessed separately through simplified models. The study of the clay fraction highlights that the phenomenon of dispersion/flocculation is one of the main mechanisms responsible for the evolution of the mechanical properties of the treated sediment. The findings from the organic matter study show a decrease of the content of some organic compounds over time, with the greatest impact observed via treatment with Portland cement. Moreover, certain heavy metals have an impact by delaying or significantly accelerating the hydration of the considered binders.The mobility of heavy metals in the treated Dublin sediment was examined using a standard leaching test. It was found that with an increase in the proportion of GGBS, the amount of leached HM decreased. Moreover, sequential extraction analysis was shown to be effective in studying the distribution of trace metals among the main sediment fractions before and after treatment. The use of GGBS as a stabilizing agent allows a decrease of the migration of heavy metals into the less stable fraction after S/S treatment. X-ray Adsorption Spectroscopy (XAS) was demonstrated to be a useful technique to explore the stabilization mechanisms, in particular changes in the chemical environment of HM (oxidation state, coordination number, etc.). It was observed that the chemical environment of Cu and Zn was not modified in the case of binders with high GGBS content.
L’accumulation des sédiments sur les littoraux se créée à partir des processus physiques, chimiques et biologiques. Les activités anthropiques participent fortement à l’augmentation du taux de sédimentation. Elles sont également une source de contaminants chimiques notamment des métaux lourds qui sont un risque pour l’environnement aquatique et la santé publique. Afin de dégager les voies de navigation, des opérations régulières de dragage dans les grands ports industriels sont réalisées et produisent autour de 100-200 millions m3/an de déblais de dragage contaminés. Il peut donc être nécessaire de traiter ces sédiments, notamment par Solidification/Stabilisation (S/S).L’étude actuelle s’intéresse plus particulièrement à la valorisation de sédiments provenant de Dublin (Irlande) pour une réutilisation potentielle comme matériaux de remplissage dans le cadre du projet du bassin d’Alexandra (PBA). Les sédiments contaminés en métaux lourds, doivent être stabilisés par la technologie de S/S au moyen d’un liant hydraulique. Cette recherche propose l’utilisation du laitier de haut-fourneau (LHF) comme agent liant alternatif au ciment Portland largement utilisé. L’objectif de cette étude est donc de développer un liant à base de LHF pour fournir un comportement mécanique requis pour une utilisation ultérieure du nouveau matériau en s’intéressant à comprendre les mécanismes ayant un rôle dans la solidification du sédiment traité mais également la stabilisation des métaux lourds.Les sédiments traités par liants hydrauliques à base de LHF ont fait l’objet d’un suivi de la résistance à la compression en comparaison à des sédiments traités par liant à base d’OPC. Le traitement au LHF activé par une petite quantité d’OPC a démontré une augmentation significative de la résistance au fil du temps, tandis que celle du traitement à l’OPC a montré une dégradation des propriétés mécaniques. Dans le but d’expliquer les résultats obtenus, des études de suivi de la formation des hydrates, de retrait et de microstructure ont été menées. En outre, les interactions avec les différents liants de la fraction argileuse, de la matière organique et des métaux lourds, qui constituent les sédiments de Dublin étudiés, ont été évaluées séparément et au moyen de milieux simplifiés. La thèse met en évidence par l’étude de l’impact de la fraction argileuse que le phénomène de dispersion/floculation est un des principaux mécanismes responsables de l’évolution des propriétés mécaniques du sédiment traité. L’étude des interactions entre la matière organique avec les liants montre une dégradation de certains composés organiques au cours de temps et ce d’autant plus avec l’OPC. Enfin, certains métaux lourds impactent par un retard ou une accélération significative de l’hydratation des liants considérés.La mobilité des métaux lourds du sédiment de Dublin après le traitement S/S a été examiné en utilisant un test de lixiviation standardisé. L’augmentation de la proportion de LHF induit une diminution de la quantité de métaux lourds lixiviés. En effet, l’analyse par extraction séquentielle a permis de suivre la distribution des métaux lourds parmi les principales fractions de sédiments avant et après traitement. L’emploi de LHF permet une réduction de la migration des métaux dans la fraction la moins stable après le traitement S/S. Dans le but d’explorer les mécanismes de stabilisation, en particulier les changements dans l’environnement chimique des métaux lourds (état d’oxydation/numéro de coordination etc.), la spectroscopie d’absorption aux rayons X s’est avérée être une technique pertinente. Ainsi, il a été observé que l'environnement chimique du Cu et du Zn n'a pas été modifié dans le cas des liants à forte teneur en LHF.
Origine : Version validée par le jury (STAR)