Experimental study of the mechanisms and conditions of dust emissions. Application to earthworks
Étude expérimentale des mécanismes et des conditions d'envol des poussières. Application aux chantiers de terrassement.
Résumé
Civil engineering activities are high emitters of dust. They accounted for 18% of emissions in France in 2018, i.e. about 138,000 tons of suspended particles. Truck traffic during the earthmoving phase is the main cause of emissions. It takes place on unpaved runways built from compacted soils that are gradually degrading. This generates dust plumes that can have health and environmental impacts and reduce visibility. To limit these nuisances, earthworkers water the runways extensively, which wastes water. To date, the mechanisms of appearance, lift and transport of dust particles on construction sites are poorly quantified. This thesis aims to study the processes that lead soil particles, initially bound together within a granular matrix, to become atmospheric aerosols.First of all, the mechanism of dust appearance is studied by simulating the circulation of tires above different soils. In a second phase, the process of particle lift initiation is assessed in a wind tunnel by considering the aerodynamic phenomena at the soil-atmosphere interface. A model based on convective turbulence is implemented to quantify the capacity of soils to emit dust. The transport of dust particles by the trucks in circulation is also highlighted in wind tunnels with scale models. The laboratory tests are completed by in-situ experiments on a test track by measuring the dust emissions of different vehicles with optical particle counters. This work highlights the influence of geotechnical, environmental and aerodynamic parameters which lead to an increase in the concentration of suspended dust during the circulation of haul trucks.
Les chantiers de génie civil sont fortement émetteurs de poussières. Ils représentaient 18% des émissions en France en 2018, soit environ 138 000 tonnes de particules mises en suspension. La circulation des engins lors de la phase des terrassements est la principale cause des émissions. Elle a lieu sur des pistes non revêtues construites à partir de sols compactés qui se dégradent progressivement. Cela génère des nuages de poussières qui peuvent avoir des impacts sanitaires, environnementaux et qui atténuent la visibilité. Pour limiter ces nuisances, les terrassiers arrosent abondamment les pistes de circulation, ce qui entraîne un gaspillage d’eau. A l’heure actuelle, les mécanismes d’apparition, d’envol et de transport des poussières sur les chantiers sont mal quantifiés. Cette thèse vise à étudier les processus qui entraînent des particules de sol, initialement liées entre elles au sein d’une matrice granulaire, à devenir des aérosols atmosphériques.Dans un premier temps, le mécanisme d’apparition des poussières est étudié en simulant la circulation de pneus sur différents sols. Dans une seconde phase, le processus d’initiation de l’envol des particules est étudié en soufflerie en considérant les phénomènes aérodynamiques à l’interface sol-atmosphère. Un modèle basé sur la turbulence convective est mis en place pour quantifier la capacité des sols à émettre des poussières. Le transport des particules dans les écoulements de sillage est également étudié en soufflerie à l’aide de maquettes. Les essais en laboratoire sont complétés par des expérimentations in-situ sur piste d’essais avec différents véhicules. Ce travail met en évidence l’influence des paramètres géotechniques, environnementaux et aérodynamiques qui conduisent à une augmentation de la concentration des poussières en suspension lors de la circulation des engins de chantier.
Origine : Version validée par le jury (STAR)