Caractéristiques et propriétés techniques des … · La masse volumique moyenne d’un sol est de l’ordre de 1600 kg/m3. Porosité La porosité des broyats de pneus vaut entre

EEDEMS / EOS pour ALIAPUR et l’ADEME. © Aliapur 2006. Tous droits de reproduction réservés. 1/10

Caractéristiques et propriétés techniques

des pneumatiques usagés

dans le cadre d’utilisations en génie civil

Synthèse d'une étude de l'état de l'art des utilisations des pneumatiques usagés

en centres de stockage de déchets et en bassins de rétention d'eaux pluviales.

Novembre 2005

Photo : Bahi - © ALIAPUR 2006


SOMMAIRE

CARACTERISTIQUES ET PROPRIETES DES PNEUS USAGES (BROYATS ET PNEUS ENTIERS) DANS LE CADRE DES APPLICATIONS EN GENIE CIVIL....................................................................... 3

Synthèse des propriétés physiques ............................................................................................................ 3 Masse volumique................................................................................................................................................ 3 Porosité ................................................................................................................................................................ 3 Conductivité hydraulique.................................................................................................................................. 4 Compactage : résultats d’essais Proctor....................................................................................................... 4 Compressibilité ................................................................................................................................................... 5 Résistance au cisaillement ............................................................................................................................... 5 Conductivité thermique .................................................................................................................................... 7

Aspects concernant la lixiviation des pneus usagés (entiers, broyats et granulats) ............ 8

Préconisations d’utilisation (santé, sécurité) ...................................................................................... 10

PREAMBULE

Cette synthèse a été réalisée en s’appuyant sur une étude de l’état de l’art technique, économique et réglementaire réalisée par le Groupement d’Intérêt Scientifique EEDEMS et la société EOS à la demande et financée par l’Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie (ADEME) et la société ALIAPUR, filière française de valorisation des pneus usagés.

L’objectif principal est d’évaluer sur la base d’études les potentiels de valorisation des pneus usagés en Centres de Stockage des Déchets (CSD) et en bassins de rétention

La valorisation est vue au travers d’une substitution de matériaux naturels par des pneus usagés (entiers, broyats, granulats) en Centre de Stockage de Déchets (dans le cadre du Développement Durable) ou en utilisation des propriétés physiques des pneus en bassin de rétention (optimisation de l’espace).

Auteurs : Karine MARKEWITZ 1, Francis MAIRET et Pascale NAQUIN 2, Jean-François JABY 3, Arthur de Cazenove 4

Coordinateur : Robert MORETTO 5

1 URGC Géotechnique – INSA de Lyon – Bâtiment JCA Coulomb - F69621 Villeurbanne 2 INSAVALOR POLDEN – 66 boulevard Niels Bohr – Bâtiment CEI – F69603 Villeurbanne 3 EOS 10, chemin des Tards Venus, F69560 Brignais 4 ALIAPUR – 71 cours Albert Thomas – 69 003 Lyon. 5 INSAVALOR EEDEMS – 66 boulevard Niels Bohr – Bâtiment CEI – F69603 Villeurbanne


Caractéristiques et propriétés des pneus usagés (broyats et pneus entiers) dans le cadre des applications en génie civil.

Les différentes caractéristiques physiques prises en considération sont celles utilisées pour la caractérisation des sols et des matériaux (masse volumique, porosité, conductivité hydraulique, compactage, compressibilité, résistance au cisaillement, conductivité thermique).

Synthèse des propriétés physiques

Masse volumique

Figure 1-Masse volumique en fonction de la pression et de la taille des découpes de pneus (Graphique rédigé à partir de 4 références bibliographiques.)

La masse volumique des copeaux de pneus vaut entre 440 et 990 kg/m3 selon la charge appliquée. Elle augmente avec la contrainte appliquée et dépend inévitablement de la proportion d’éléments métalliques contenus. 2 valeurs situées à 810 et 990 kg/m3 pour une pression de 400 kPa ne figurent pas sur ce schéma.

La masse volumique moyenne d’un sol est de l’ordre de 1600 kg/m3.

Porosité

La porosité des broyats de pneus vaut entre 37 à 79 %. Elle augmente avec la taille des découpes de pneus et varie peu avec la charge. En comparaison, la porosité d’un sol vaut de 12 à 50 % dans les mêmes conditions.

Taille (mm)

Pression verticale (kPa)

Porosité (%)

Références

20-76 ND 37-53 Humphrey et al. (1996) 20-46 ND 55-60 Drescher et Newcomb (1994) 50-75 0 67 50-75 690 50

Edil et Bosscher (1992)

50x50 41.7-42.7 52.3-55.3 Huhmarkangas et Lindell (2000) 300 ND 79 Drescher et Newcomb (1994)

Tableau 1 : Porosité en fonction de la taille des découpes de pneus et de la pression appliquée (Tableau rédigé à partir de 5 références)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60

Pression verticale (kPa)

Mas

se v

olum

ique

(kg/

m3)

38 mm50 mm51 mm76 mm

Tailles des particules


Conductivité hydraulique

Figure 2 - Conductivité hydraulique en fonction de la pression appliquée et de la taille des découpes de pneus (Graphique rédigé à partir de 15 références bibliographiques).

Les conductivités hydrauliques (K) mesurées en utilisant des découpes de pneus sont comprises entre 5.10-6 et 0,55 m/s. Plus les particules sont grandes, plus la conductivité hydraulique est élevée et plus la pression appliquée augmente, plus la conductivité hydraulique diminue.

Cependant, même sous de fortes charges, la conductivité hydraulique des découpes de pneus reste élevée et est équivalente à celle que l’on peut mesurer sur des graviers (Holtz and Kovacs 1991).

La conductivité hydraulique en CSD doit être supérieure à 10-4 m/s. Toutes les particules de taille supérieure à 4 mm vérifient cette condition même pour des charges élevées.

Compactage : résultats d’essais Proctor

Les essais de compactage, dits essais de type Proctor, sont réalisés dans un moule cylindrique normalisé et consistent à appliquer à un volume d’échantillon donné une énergie de compactage standard (ASTM D698).

Figure 3 – Poids volumique sec des découpes de pneus en fonction de leur taille et de la méthode de compaction appliquée (Graphique rédigé à partir de 19 références bibliographiques).

La taille des particules et leur teneur en eau ont peu d’influence sur le poids volumique. En outre, peu d’efforts sont nécessaires pour atteindre la densité sèche maximale, puisque les essais à 50% de Proctor donnent des résultats similaires à ceux en Proctor standard. Sans compactage, la densité est cependant inférieure aux essais avec compactage.

Les valeurs de densité sèche obtenues varie de 35 à 73 kN/m3 soit une densité supérieure à celles des graviers (20 à 25 kN/m3) (Holtz and Kovacs 1991)

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 200 400 600 800 1000 1200

Pression appliquée (kPa)

Con

duct

ivité

hyd

raul

ique

(m/s

)

4mm6-135 mm49 mm49-74 mm59-98 mm100-200 mm

Taille des particules

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200

Tailles des découpes de pneus (mm)

Poi

ds v

olum

ique

sec

(kN

/m3)

Méthode non determinée

Proctor 50% et 60%Proctor Modifié

Proctor Standard

Sans compactage


Compressibilité

Figure 4 – Compressibilité des découpes de pneus en fonction de la pression appliquées et de leur taille (Graphique rédigé à partir de 11 références bibliographiques)

La compressibilité vaut entre 30 et 60 %. Les particules de pneus sont d’autant plus compressibles que les découpes de pneus sont grandes et la contrainte augmente.

Les découpes de pneus sont sept fois plus compressibles que les sols (Drescher et al., 1999).

La compressibilité est non linéaire et est expliquée par des déformations élastiques et plastiques (Edeskär 2004).

Résistance au cisaillement

Tableau 1 : Résultats d’essais de résistance au cisaillement (Tableau rédigé à partir de 19 références)

Résistances au cisaillement

10% de déformation

20% de déformation

Maximum ND Taille des particules (mm)

Masse volumique (kg/m3)

Pression de confinement (kPa)

c (kPa)

Ф (º) c (kPa)

Ф (º) c (kPa)

Ф (º) c (kPa)

Ф (º)

Références

<1 528 4,8 30 Black et Shakoor (1994)

<2 ND 34-55 0 45 Wu et al. (1997)

2 523 35-55 0 25.8 0 36 0 45 Benda (1995) Wu et al. (1997)

4.5 ND 1462 6 82 15 0

4.75 624 150-350 70 6 82 15 Masad et al. (1996)

5-15 ND 7 27 Cecich et al. (1996)

<9 ND 34-55 0 47-60

Wu et al. (1997)

9.5 588 35-55 0 20.6 0 32.1 0 60 Benda (1995) Wu et al. (1997)

10 573 234.84.1 21.6 11 37.7 18.8 Yang et al. (2002)

12.7 ND ND 35,8 20.5 Ahmed et Lovell (1993)

13 619 36-199 22.7 11.2 35.8 20.5 Ahmed (1993)

<18 ND 34-55 0 54 Wu et al. (1997)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 200 400 600 800 1000 1200

Pression appliquée (kPa)

Com

pres

sibi

lité

(%)

18-38 mm2 mm49-74100-400 mm

Taille des découpes


Résistances au cisaillement

10% de déformation

20% de déformation Maximum ND

Taille des particules (mm)

Masse volumique (kg/m³)

Pression de confinement (kPa)

c (kPa)

Ф (º) c (kPa)

Ф (º) c (kPa)

Ф (º) c (kPa)

Ф (º)

Références

19 562 35-55 0 21.4 0 34.1 0 54 Benda (1995) Wu et al. (1997)

25 632 31-199 25.4 12.6 37.3 22.7

25 642 32-307 22.1 14.6 33.2 25.3

25 675 32-199 24.6 14.3 39.2 24.7

Ahmed (1993)

25.4 ND ND 33,2-39,2

22.6 -24.6

Ahmed et Lovell (1993)

25-50 ND 3,8 27.5

Andrews et Guay (1996)

30 630 28-193 7.6 21 Lee et al.(1999)

<38 ND 34-55 0 57 Wu et al. (1997)

38 589 35-55 0 21.1 0 35.5 0 57 Benda (1995) Wu et al. (1997)

38 ND 3,3 38 Cosgrove (1995)

<38.1 ND 19-72 8,6 25 Humphrey et al. (1993)

50 ND 7,2 27 Duffy (1995)

50 ND 0 35 0 Bernal et al. (1996)

<50.8 ND 19-72 4,3 21-26

Humphrey et al. (1993)

<50.8 ND 19-72 7,7 19 Humphrey et al. (1993)

<50.8 ND 7-70 0-3 30 Foose et al. (1996)

ND - 37-43 50-75

ND - 85

Edil et Bosscher (1994)

51 598 ND 25.9 21 Bresette (1994)

51 596 ND 31.9 21 Lee et al.(1999)

76 ND 4,3 32 Cosgrove (1995)

95 495 35-55 0 17.2 0 312 Benda (1995)

95 588 35-55 0 47 Wu et al. (1997)

Les résultats ne sont pas homogènes. Des études montrent que la résistance au cisaillement est indépendante de la taille des particules alors que d’autres observent que plus les particules sont grandes, plus le glissement est important. Selon Edeskär (2004), ces données contradictoires sont dues à la dépendance des résultats de résistance au cisaillement à la méthode d’analyse utilisée. En outre, des rotations ou des déformations individuelles de chaque particule de pneus ont lieu dans les premières étapes du cisaillement.

Les résultats obtenus sont cependant comparables aux valeurs typiques de matériaux de construction de centre de stockage de déchets puisque la résistance au cisaillement à 10% d’élongation correspond à un angle de frottement de 26 à 36º (Holtz and Kovacs 1991).


Conductivité thermique

Figure 5 – Conductivité thermique en fonction de la taille des particules de pneus et de la pression appliquée (Graphique rédigé à partir de 3 références)

La conduction thermique décrit la capacité d’une substance à conduire la chaleur. Cette propriété est définie comme étant la vitesse à laquelle se propage la chaleur par conduction à travers une surface unité, normale à la direction du flux de chaleur, et cela par unité de longueur et unité de différence de température.

Plus les particules de pneus sont grandes, plus la conductivité thermique augmente.

Cependant pour les copeaux de pneus, elle varie entre 0,1 et 0,35 W/m,K, ce qui est 86 % inférieur à un sol sec (conductivité thermique typique de 1,1 W/m,K) (Edeskär 2004).

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 5 10 15 20 25Pression exercées (kPa)

Con

duct

ivité

ther

miq

ue (W

/m,K

)

25 mm38 mm51 mm76 mm

Taille des particules


Aspects concernant la lixiviation des pneus usagés (entiers, broyats et granulats)

a) Tests en laboratoire :

Les résultats des différentes études (cf. tableau ci-après) indiquent que les pneumatiques ne présentent pas de menaces pour l’environnement avec de faibles concentrations d’éléments toxiques dans les lixiviats. Les tests en laboratoire ne sont qu’une première approche, les utilisations sur le terrain font intervenir d’autres phénomènes qui ne peuvent être reproduits en laboratoire.

Conditions Conclusion Etude

Tests en laboratoire selon la procédure normalisée TCLP

Toutes les teneurs sont en-dessous des seuils (TCLP Regulatory Levels). Les métaux lixiviés sont : Ba (357 ppb), Cd (114 ppb), Cr (84 ppb), Pb (216 ppb).

DOWNS 1996

(Etats-Unis)

Tests en laboratoire de 249 jours avec 3 dimensions différentes de broyats et 27 solutions à pH et force ionique différentes.

Les différences de pH et de force ionique ont peu d’effet sur la lixiviation des composés organiques. La taille des pneus déchiquetés joue un rôle plus important. Des composés tels que le benzène ou l’aniline ont été lixiviés.

MILLEF 1993

(Etats-Unis)

Tests de lixiviation d’un an à des pH de 4, 7 et 8 avec des morceaux de pneus usagés

Les teneurs en métaux atteignent un maximum avant de diminuer : Cu (328 ppb), Pb (49 ppb) et Cd (3,5 ppb) en moins d’une semaine ; Zn (150 ppb), Ni (2460 ppb), Cr (82 ppb), Ag (5 ppb) et Ba (2 083 ppb) après plusieurs mois. Fe atteint son maximum de 31 ppm après 2 semaines mais ne diminue qu’après 6 mois.

EALDING 1992

(Etats-Unis)

Tests en laboratoire en milieu acide de 18h sur différents types de pneus (procédures normalisées TCLP (Toxicity Characterization Leaching Procedure) et EP Tox)

Toutes les teneurs sont en dessous des seuils (TCLP Regulatory Levels et U.S. EPA Drinking Water Standards).

ZELIBOR 1991 (Etats-Unis)

Tableau 3 : Résumé de différentes études en laboratoire


b) Tests sur le terrain

Les résultats des études menées sur le terrain montrent des teneurs souvent inférieures aux normes de potabilité avec parfois une augmentation des teneurs en certains éléments (Fe, Mn, Al, Zn, composés organiques).

Conditions Conclusion Etude

Broyats utilisés en couche de base d’une route avec collecte des lixiviats

Teneurs inférieures aux normes primaires d'eau potable (santé) des Etats-Unis (PDWS*)

Teneurs inférieures aux normes secondaires d'eau potable des Etats-Unis (SDWS*) sauf Al, Fe, Mn.

Pas de composés organiques détectés

RIAZ 2001

(Canada)

Broyats placés dans la nappe phréatique.

Teneurs inférieures aux normes primaires d'eau potable des Etats-Unis (PDWS*)

Teneurs inférieures aux normes secondaires d'eau potable des Etats-Unis (SDWS*) sauf Fe, Mn et quelques composés organiques

HUMPHREY 2001

(Etats-Unis)

10 000 pneus entiers utilisés dans la construction d’un remblai armé,

Collecte des lixiviats pendant 2 ans.

Aucun effet avéré sur la qualité de l’eau.

Cd, Cr et Pb pas détectés, Zn et Fe détectés en dessous des limites de la norme de potabilité en vigueur en Ontario (ODWO*)

O’SHAUGHNESSY

2000 (Canada)

Broyats placés au-dessus du niveau de la nappe.

Lixiviats collectés et analysés pendant 5 ans

Augmentation des teneurs en Fe et Mn.

Teneurs négligeables en composés organiques

HUMPHREY 2000

(Etats-Unis)

Broyats placés au-dessus du niveau de la nappe.

Lixiviats collecté et analysés pendant 2,5 ans.

Teneurs inférieures aux normes primaires d'eau potable des Etats-Unis (PDWS*)

Teneurs inférieures aux normes secondaires d'eau potable des Etats-Unis (SDWS*) sauf Fe et Mn. Pas de composés organiques détectés.

HUMPHREY 1997

(Etats-Unis)

Analyse d’échantillons de sols d’une vieille décharge de pneus sur 10 ans.

Teneurs élevées en Cd, Pb et Zn à la base de la décharge.

HORNER 1996

(Royaume-Uni)

Tableau 4 : Résumé de différentes études sur le terrain *PDWS, primary drinking water standard (risques pour la santé humaine) *SDWS, secondary drinking water standards (risques pour la peau, couleur, odeur, goût) *ODWO, Ontario drinking water objectives

Les résultats de ces études et de nombreuses autres sont également cités dans trois états de l’art, publiés en 2004, sur la lixiviation des pneus usagés :

- Literature study on substances leached from shredded and whole used tyres - BLIC 2004 (Belgique),

- End-of-Life Tyre Management : Storage Options - Potential Environmental Impacts of Tyre Leachate – MWH 2004 (New Zealand),

- Technical and Environmental Properties of Tyre Shreds Focusing on Ground Engineering Applications - EDESKÄR 2004 (Suède).


Les résultats des tests réalisés en laboratoire et sur le terrain montrent que la lixiviation des pneumatiques ne présente pas de risques notables sur les eaux au regard notamment des normes de potabilité américaines et canadiennes. Cependant, dans la mesure où chaque voie de valorisation des découpes de pneus ou des pneus entiers correspond à des conditions particulières d’utilisation (dimensions des pneumatiques et des broyats, perméabilité des sols, temps de contact avec l’eau, conditions chimiques, présence de fils métalliques,…), il conviendrait de compléter ces résultats pour définir des recommandations en fonction de différents usages.

Préconisations d’utilisation (santé, sécurité)

Les découpes de pneus ne sont pas génératrices de composés toxiques ou pathogènes et sont sans odeur. Ils ne présentent donc pas d’effet sur la santé lorsque l’on y est exposé à court terme mais comme ils contiennent des composés aromatiques et naphténiques, les employés en contact prolongé avec les pneumatiques doivent suivre des règles d’hygiène (mains, vêtements) (GeosyntecConsultants 1998a).

Des composés métalliques peuvent aussi être apparents après déchiquetage. Des habits de protection (lunettes, gants, chaussures) doivent donc être fournis aux ouvriers et il est préférable que les véhicules soient chenillés (GeosyntecConsultants 1998b).

En outre, les pneus sont des lieux de vie idéal pour les moustiques, les rats et autres animaux pouvant être porteurs de maladies ce qui nécessite un comportement de protection de la part des employés travaillant sur les sites de stockage (GeosyntecConsultants 1998b).

Documents

Caractéristiques et propriétés techniques des … · La masse volumique moyenne d’un sol est de l’ordre de 1600 kg/m3. Porosité La porosité des broyats de pneus vaut entre