Étude de la résistance à la biodétérioration de matériaux cimentaires innovants et bas carbone pour une application dans les réseaux d'assainissement

Study of the resistance to biodeterioration of innovative low-carbon cementitious materials for application in sewer networks

• Auteur / Autrice : Amr Aboulela
• Direction : Alexandra Bertron, Cédric Patapy, Matthieu Peyre-Lavigne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 21/01/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Toulouse Biotechnology Institute / TBI - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Josée Duchesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Bertron, Cédric Patapy, Matthieu Peyre-Lavigne, Eric Van Hullebusch, Burkan Isgor, Mark Alexander, Cyrill Grengg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Van Hullebusch, Burkan Isgor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle du soufre

Acide sulfurique

Matériaux -- Biodégradation

Mots clés libres

Durabilité

Biodétérioration

Matériaux cimentaires

Acide sulfurique

Cycle du soufre

Liant bas-Carbone

Durability

Biodeterioration

Cementitious materials

Sulfuric acid

Sulfur Cycle

Low-CO2 binder

Résumé

La biodégradation des matériaux cimentaires dans les réseaux d’assainissement est une préoccupation majeure pour des raisons sanitaires et économiques. Elle est principalement due à l'oxydation biologique de H2S en H2SO4 conduisant à une dissolution progressive de la matrice cimentaire ainsi qu’à la précipitation de produits expansifs susceptibles de provoquer des fissurations. Dans la littérature, il est établi que le ciment d'aluminates de calcium (CAC) a une meilleure résistance, dans de tels environnements, comparé au ciment Portland (PC). Les meilleures performances du CAC sont attribuées à la forte teneur en aluminium et aux propriétés physico-chimiques de la matrice cimentaire (phases minéralogiques, porosité…). D’autre part, des études récentes révèlent le potentiel rôle du fer dans la résistance des matériaux présents dans ces environnements, sans toutefois permettre de clarifier ce rôle.Cette thèse avait pour objet (i) d’étudier le comportement et les mécanismes de détérioration des différents matériaux cimentaires bas-CO2 (ciment sulfoaluminate (CSA) et laitier alkali-activé (AAS)) exposés à une attaque microbienne en condition d’assainissement; (ii) d’évaluer l’impact de la substitution d’une partie du ciment Portland par des additions minérales, riche en aluminium et/ou fer sur la performance des matériaux; (iii) de comprendre les mécanismes d’interactions entre la matrice cimentaire et le biofilm; (iv) d’optimiser un modèle numérique, basé sur le couplage de la chimie des matériaux et le transport des espèces en solution, par l’intégration des transformations biologiques des espèces soufrées.Le travail expérimental a été réalisé en laboratoire en utilisant le BAC test. Ce test vise à générer des conditions favorables au développement d’une activité sulfo-oxydante à pH acide sur un substrat de tetrathionate (S4O62-) et d’évaluer le comportement de différents matériaux (PC, CAC, CSA et AAS).Un indicateur de performance (PIeqOH) a été développé par l’évaluation de la lixiviation des éléments/composés chimiques (notamment le calcium, l’aluminium, le fer, le magnésium et le sulfate qui définissent le pouvoir tampon des matériaux). Cet indicateur a permis d’établir un classement des matériaux selon leurs résistances à l’attaque d’acide sulfurique dans ces conditions.Dans les conditions expérimentales, les espèces Acidithiobacillus et Thiomonas sont les principales bactéries identifiées, Thiomonas étant capable de dismuter les tetrathionates en absence d’oxygène. La dismutation du substrat soufré a été identifiée comme responsable de la présence de soufre élémentaire à la surface des matériaux.Le meilleur comportement des matériaux à base de CSA, comparé aux ciments type Portland, a été attribué principalement à la formation d’hydroxyde d’aluminium (AH3), phase chimiquement stable en conditions acides. La forme minéralogique des phases contenant de l’aluminium est un facteur clé de leur résistance à l’acide et la simple augmentation de la teneur en aluminium par des additions minérales non-réactives s’est avérée insuffisante pour améliorer les performances des matériaux cimentaires.Le fer, initialement non-réactif, reste relativement inactif pendant une attaque microbienne très agressive. Ni la concentration en fer, ni la forme sous laquelle il est présent n’ont montré d’impact sur l’installation de l’activité microbienne. De plus, l’ajout des additions minérales riches en fer non réactifs n'a pas amélioré la durabilité des matériaux cimentaires.Dans les conditions du BAC test, les mécanismes de détérioration des matériaux à base de laitier alcali-activé étaient très similaires à ceux à base de ciment Portland et ont consisté en une décalcification très forte des C-A-S-H, menant jusqu’à la formation d’un gel silicoalumineux en surface.

The biodeterioration of cementitious materials in sewer networks is a major concern for health and economic reasons. Mainly, it is due to the biological oxidation of H2S into H2SO4 leading to a progressive dissolution of the matrix and the precipitation of expansive products likely to provoke cracks. In the literature, it is established that calcium aluminate cement (CAC) has a better resistance in such environments than Portland cement (PC). The better performance of CAC was mainly linked to the high aluminum content of this material and to the physico-chemical properties of the cement matrix (mineralogical phases, porosity, etc.). In addition, recent studies revealed the potential role of iron in the resistance of materials in such environments, however, without clarifying this role.This thesis aimed to (i) study the behavior and the deterioration mechanisms of different low-CO2 cementitious materials (e.g. calcium sulfoaluminate cement (CSA) and alkali-activated slag (AAS)) exposed to a microbial attack in sewer conditions; (ii) evaluate the impact of partially substituting PC with mineral additives, rich in aluminum and/or iron on the resistance of the materials; (iii) understand the mechanisms of interactions between the cement matrix, the aggressive environment and the biofilm; (iv) use and optimization of a numerical model, based on the coupling of materials’ chemistry and the transport of species in solution, to include biological transformations of sulfur species.The experimental work was carried out in laboratory conditions using an accelerated test. This test made it possible to create favorable conditions for the development of a sulfur-oxidizing activity at acidic pH on tetrathionate (S4O62-) substrate and to evaluate the behavior of various materials (based on PC, CAC, CSA and AAS).A performance indicator (PIeqOH) was developed by evaluating the leaching of chemical elements/compounds (in particular calcium, aluminum, iron, magnesium and sulfate which defines the neutralizing capacity of the materials). This performance indicator was used to establish a classification of materials according to their resistance to sulfuric acid attack in these exposure conditions.In the experimental conditions, Acidithiobacillus and Thiomonas genus were the main bacteria identified, with the latter being able to disproportionate tetrathionates in absence of oxygen. The disproportionation of tetrathionate was identified as responsible for the presence of elemental sulfur precipitation on the materials' surface.Certain CSA-based materials have shown better behavior than Portland cements in the experimental conditions. This resistance was mainly attributed to the formation of aluminum hydroxide and its chemical stability in acidic environments. Moreover, the mineralogical form of aluminum-bearing phases is critical regarding their resistance to the acid attack and the simple increase of the aluminum content by non-reactive mineral additives was shown to not improve the performance of the materials.Iron, non-reactive initially, remained relatively inactive during the very aggressive microbial attack. Neither the iron concentration nor the form in which it was present showed any impact on the development of microbial activities. Moreover, no improvement of the resistance of cement-based materials by iron enrichment has been obserbed maybe in relation with the absence of new Fe-bearing hydrated phases.In the conditions of the BAC test, the deterioration mechanisms of alkali-activated slag materials were similar to those of Portland cement based ones, and consisted of a strong decalcification of C-A-S-H, leading to the formation of an aluminosilicate gel on the surface.