Biodétérioration des matériaux cimentaires dans les ouvrages d'assainissement (étude comparative du ciment d'aluminate de calcium et du ciment Portland)

La nécessité de rénover les réseaux d'assainissement des grandes villes et les besoins de construire de nouvelles structures conduisent les gestionnaires de réseaux d'assainissement et les fabricants de canalisation à rechercher des solutions pour obtenir des installations d'assainissement durables. Parmi les détériorations rencontrées dans ces structures, 9% peuvent être attribués à la biodétérioration des matériaux cimentaires. Cette étude a deux objectifs principaux. Le premier est de développer un essai accéléré reproductible en laboratoire et qui donne des résultats proches de ceux obtenus sur site. Le second est d'étudier la biodétérioration des matériaux cimentaires pour mieux comprendre les mécanismes et plus spécifiquement la différence de comportement entre les matériaux à base de ciment d'aluminate de calcium (CAC) et de ciment Portland ordinaire (OPC). Dans ce cadre, différentes formulations cimentaires ont été exposées in situ afin de déterminer les paramètres influant sur la biodétérioration. En parallèle, des expériences en laboratoire ont été réalisées pour mieux comprendre chaque étape du mécanisme de biodétérioration. Les résultats des expositions sur site montrent que les matériaux à base de CAC ont une durabilité plus importante que les autres formulations cimentaires. Les études réalisées en laboratoire permettent d'attribuer ces meilleures performances à la teneur en aluminium qui inhibe la croissance des microorganismes tout en protégeant la matrice grâce à la précipitation d'une couche d'alumine hydratée dans la porosité et à la surface de ces matériaux et qui maintient le pH à 3,5-4. La chimie de surface a également un rôle important en favorisant ou non l'oxydation abiotique de l'H2S. Les résultats des expositions sur site et des différents essais de laboratoire ont été utilisés pour développer un essai accéléré donnant des résultats prometteursThe need for renovation of sewer networks in major cities and the necessity to build new structures lead managers of sewer pipe and manufacturers to seek for solutions for sustainable sanitation. 9% of damages encountered in these structures can be attributed to the biodeterioration of cementitious materials. This study has two main objectives. The first one is to develop an accelerated reproducible laboratory test that gives results similar to those obtained on site. The second is to study the biodeterioration of cementitious materials in order to better understand mechanisms and more especially the difference in behavior between materials based on calcium aluminate cement (CAC) and ordinary Portland cement (OPC). Within this framework, different cement formulations were exposed in situ to identify the parameters influencing biodeterioration. Meanwhile, laboratory experiments were conducted to better understand each step of the mechanism of biodeterioration. Results of on site exposition show that materials based on CAC have a greater durability than other cement formulations. Laboratory studies assign these best performances to the aluminum content which inhibits the growth of microorganisms while protecting the matrix by precipitation of a hydrated alumina layer in the porosity and on the surface of these materials. This layer maintains the pH at 3.5-4. Surface chemistry was shown to play an important role in catalizing abiotic oxidation of H2S. The results of on-site exhibitions and various laboratory tests were used to develop an accelerated test giving promising resultsPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Étude de la valorisation des laitiers de l'industrie sidérurgique et de production des alliages silico manganèse

Les industries sidérurgiques et du manganèse génèrent des quantités de laitiers très importantes qui ne sont aujourd'hui peu ou pas valorisées pour la formulation de liants hydrauliques dans le domaine des matériaux de construction. Si le laitier de haut fourneau moulu est bien intégré dans la filière des matériaux de construction, le laitier de convertisseur est majoritairement utilisé sous forme de granulats et le laitier de silicomanganèse granulé n'est aujourd'hui pas valorisé dans cette filière. Les sociétés ArcelorMittal, Ecocem et Eramet produisent ou exploitent ces laitiers, très différents de par leurs origines et leurs compositions, et cherchent à développer des filières de valorisation pour ce type de coproduit. Des études ont déjà montré que le laitier de convertisseur et le laitier de silicomanganèse peuvent être intégrés au sein de matrices cimentaires en remplacement partiel du ciment, mais peu de données sont disponibles sur la connaissance des mécanismes d'hydratation de ces systèmes cimentaires à base de laitier, sur la durabilité de tels systèmes et sur l'impact environnemental que peut impliquer l'utilisation de ces laitiers. Nos travaux de recherche ont porté, sur la caractérisation des laitiers étudiés, en particulier sur la granulométrie, la chimie et la microstructure, puis sur leur réactivité. Les résultats ont montré que le laitier de silicomanganèse peut être comparable au laitier de haut fourneau du point de vue de son hydraulicité latente mais qu'il présente une chimie différente avec notamment une teneur en chaux moindre et une faible part de résidu inerte (10%). Le laitier de convertisseur, qui présente une partie inerte (23%) constituée de composés riches en fer, est fortement basique compte tenu de la présence de chaux et de portlandite et présente un comportement hydraulique. La formulation de systèmes cimentaires binaires (ciment/laitier) a permis de montrer que le laitier de silicomanganèse ajouté à du ciment Portland forme, comme le laitier de haut fourneau, des hydrates (silicates de calcium hydratés) qui participent au développement des résistances mécaniques, similaires. Le laitier de silicomanganèse peut donc être un bon matériau de remplacement du ciment pour la formulation de liants hydrauliques dans le domaine des matériaux de construction. Le laitier de convertisseur présente une plus faible activité hydraulique que les autres laitiers et participe peu au développement de la résistance mécanique des systèmes cimentaires. Cependant, sa forte basicité en fait un bon activateur des laitiers hydrauliques latents. Des systèmes ternaires (laitier de convertisseur/ciment/laitier hydraulique latent) ont donc été réalisés et ont permis de montrer la capacité du laitier de convertisseur à activer le laitier de haut fourneau ou le laitier de silicomanganèse. Ces systèmes cimentaires, composés au minimum de 80 % de laitiers, présentent des performances mécaniques intéressantes pour le domaine des liants hydrauliques routiers. En complément de l'aspect formulation, une étude environnementale a été menée et a permis de montrer que les laitiers ne présentent pas de risque vis-à-vis du relargage de polluants lors de leur utilisation comme composants de matériaux hydrauliques routiersThe steelmaking and manganese industries produce large amount of slag which are little upgraded today for the formulation of hydraulic binder in the field of civil engineering. The ground blast furnace slag (GGBFS) is integrated in the building materials industry but the converter steel slag (BOF slag) is mainly used as aggregates and the silicomanganese slag (LSiMn) is co granulated slag is now not upgraded in this sector. The companies ArcelorMittal, Eramet and Ecocem produces or exploit these slags, which are very different (origins and compositions), and want to develop the valorisation of these byproduct in the field of materials for building construction. Some studies have already shown that the steel slag and the silicomanganese slag can be integrated into cement matrix as component for cement industry. But few data exist about mechanism of hydration of these slags in cement systems, the sustainability of such systems and the environmental impact which involve the use of these slags. Our research concerns first the characterization of our slags, particularly the particle size distribution, the chemical composition and microstructure, and their reactivity. The results showed that the silicomanganese slag can be comparable with the ground granulated blast furnace slag because of their latent hydraulic behaviour but he has a different chemistry composition with lower calcium content and a little part of inert (10%). The steel slag, which has 23% of inert portion (compounds rich in iron) is very basic due to the presence of lime and portlandite and has a hydraulic behaviour. The formulation of binary systems cement (cement / slag) shown that the silicomanganese slag added to Portland cement forms, like blast furnace slag, hydrates (hydrated calcium silicates) which participate in the development of compressive strength. Then, the utilization of silicomanganese slag can be a good alternative for the formulation of hydraulic binders in the field of building materials. The steel slag has a little activity than other hydraulic slags cited and has a little participation for the development of the compressive strength. However, its high alkalinity makes it a good activator of latent hydraulic slags. Ternary cementitious systems (cement/steel slag/slag with latent hydraulic behaviour) have been prepared and show the ability of converter slag to activate the blast furnace and silicomanganese slags. These cementitious systems, composed of at least 80% of slags, have good mechanical properties for hydraulic road binders. In addition to these works, an environmental study was conducted for the slags and the cementitious matrix. The results show that the low leaching of pollutant allows the utilization of our slag as hydraulic road materialsPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Influencia de las concentraciones en iones hidróxilos, carbonates y cloruros sobre la corrosión por picaduras del acero en el hormigón

The electrochemical process of steel corrosion in concrete are studied by simulating its liquid phase with synthetical solutions in a large range of hydroxyls, carbonates and chlorides ions.The steel specimen is either under or without an electrical polarization. The present analysis has made it possible to define a new relevant parameter, which is the [CΓ]/[AIK] ratio (where AIK is the total alkalinity). It characterizes the conditions of the polarized steel pitting corrosion. Furthermore, the investigation showed out that a polarization at potentials lower than — 700 mVSCE, stops the corrosion processes.Los procesos electroquímicos de corrosión de las armaduras de acero del hormigón son estudiados simulando su fase líquida mediante disoluciones sintéticas que cubren playas importantes en iones hidróxilos, carbonates y cloruros. El acero está sometido o no a una polarización eléctrica. Este análisis ha permitido definir un nuevo parámetro significativo, la relación [CΓ]/[AIK] (siendo AIK la alcalinidad total), que caracteriza las condiciones de corrosión por picaduras del acero polarizado. Además, el estudio ha mostrado que una polarización, a un potencial más bajo que — 700 mVSCE impide los mecanismos de corrosión

Study of an electrochemical chloride extraction treatment on a both carbonated and chlorinated reinforced concrete

EUROCORR 2017, European Corrosion Congress and 20th Internation Corrosion Congress and Process Safety Congress, PRAGUE, TCHÈQUE, RÉPUBLIQUE, 03-/09/2017 - 07/09/2017Civil engineering structures and historical buildings can suffer from corrosion of the embedded reinforcing steel once the concrete cover is totally carbonated and/or when chloride ions reach the steel/concrete interface. On field, these two types of contamination can be encountered separately or combined requiring implementation of proper repair methods. In this study, in a first step, corrosion of both chlorinated and carbonated reinforced concrete specimens were followed during casting and accelerated contaminations. In a second step, electrochemical chloride extraction was performed as a repair treatment (cathodic polarization, 1 A/m² of steel surface during 8 weeks). The efficiency of the treatment and its impact on the cement matrix and at the concrete-steel interface were studied during the treatment, after rebar depolarization and in the long term (several months) in order to evaluate its durability. In order to achieve these aims, three analysis means were used: electrochemical characterization, scanning electron microscopy and Raman microspectroscopy. In this paper, results obtained on specimens cast with CEM III cement (often encountered on reinforced concrete historical monuments) with chlorides addition into the mix water and further accelerated carbonation are presented. Study of rebar's electrochemical characteristics during the artificial aging highlighted an increase of corrosion rate from negligible value of 0.1 µA/cm² after fabrication to about 10 µA/cm² after carbonation. SEM observations confirmed this phenomenon with the identification of a corrosion layer on most of the concrete/steel interface after carbonation. The ECE efficiency was demonstrated by a chloride extraction of about 97% at the rebar level which yields a decrease of chloride ions concentration below the theoretical threshold value of 0.4 % by mass of cement after two weeks. Simultaneously a realkalisation ring was observed on concrete around the reinforcement bar which reached almost 1 cm after 56 days. After depolarization, results showed that a duration of 28 days of ECE treatment allowed the stabilization of the corrosion state of the rebar. Raman microspectroscopy allowed to study in situ, thanks to specific cells, the corrosion products' reduction during the treatment

Durabilité des réparations des ouvrages d'art en béton

Près de la moitié des réparations réalisées sur les ouvrages en béton se concluent par un échec prématuré. Cela se traduit principalement par le décollement de la couche réparatrice, dû à un manque d'adhérence de cette couche sur le support dégradé, et par la corrosion des armatures métalliques de la structure. C'est ainsi que l'Europe consacre la moitié du budget alloué à la construction à la réhabilitation des ouvrages. Deux types de produits de réparation sont principalement proposés sur le marché, les mortiers hydrauliques et les mortiers modifiés par des polymères. Les propriétés intrinsèques de ces produits sont connues mais peu d'études portent sur l'évolution de ces propriétés à long terme, notamment lorsque les matériaux sont appliqués sur un support en béton dégradé. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre l'influence de la présence de polymère dans les mortiers sur la durabilité des réparations des ouvrages d'art en béton. Pour mener à bien cette étude, des mortiers modifiés de formulation connue et contrôlée ont été préparés en laboratoire à partir de l'analyse de la composition de plusieurs produits de réparation commerciaux. Les propriétés intrinsèques à l'état frais et durci de ces deux types de matériaux ont été analysées, en s'intéressant notamment à l'influence de la nature et de la teneur en polymères et à l'influence de la cure appliquée sur ces matériaux. L'augmentation de la quantité de polymère entraîne l'accroissement des propriétés mécaniques des mortiers. Cet effet est surtout visible en flexion car les polymères viennent renforcer l'interface granulat-liant. La cure des mortiers à 40C permet d'améliorer leurs performances mécaniques et de diminuer leur porosité car dans ces conditions, la formation de films de polymère entremêlés aux hydrates de ciment est favorisée. Un essai a également été développé pour mesurer l'adhérence des mortiers sur un support représentant le béton à réparer. L'influence de la présence de polymère et de l'état de surface du support sur l'adhérence a été analysée, ainsi que l'évolution de l'adhérence pendant la conservation des éprouvettes dans des environnements différents. Ces essais ont permis de montrer que l'addition de polymère permettait d'augmenter l'adhérence des mortiers contenant des polymères par rapport aux mortiers non-modifiés. Après trois mois de durcissement, l'adhérence maximale est obtenue à partir de 10% de polymère. L'augmentation de la rugosité et la saturation en eau du support n'ont pas entraîné d'augmentation de l'adhérence par rapport aux surfaces sèches et planes. Comme pour les propriétés intrinsèques des mortiers modifiés, une cure à 40C permet d'améliorer l'adhérence alors qu'une immersion dans l'eau est défavorable. Enfin, le risque de corrosion des armatures enrobées de mortiers modifiés a été étudié en caractérisant les propriétés électrochimiques des aciers ainsi que les propriétés de transfert d'espèces agressives dans les mortiers. L'addition de polymères dans les mortiers renforce la protection des armatures métalliques grâce à leurs propriétés d'isolant électrique. Dans la plupart des cas, ils limitent également la diffusion du CO2 et des ions chlorure dans le matériauAbout half of the repairs carried out on concrete structures conclude with a premature failure. This is mainly due to the debonding of the repair layer, caused by a lack of adhesion on the degraded concrete surface, and by the corrosion of steel rebars in concrete. It is estimated that over 50% of Europe's annual construction budget is spent on the rehabilitation of existing structures. Two types of repair products are mainly offered on the market, hydraulic mortars and polymer-modified mortars. The intrinsic properties of these products have been studied, but few works have been conducted to assess the evolution of these properties, especially when they are applied on a degraded concrete surface. The aim of this work is to better understand the influence of the presence of polymer in mortars on durability of the repair of concrete structures. To carry out this study, polymer-modified mortars were prepared with a controlled formulation based on the analysis of the composition of several commercial products. The intrinsic properties of these mortars were studied at the fresh and hardened state, focusing in particular on the influence of the nature and content of polymers and of the curing applied to these materials. Increasing the quantity of polymer leads to the increase of the mechanical properties of mortars. This effect is especially noticeable in flexion because polymers reinforce the aggregate-binder interface. The curing of mortars at 40C improves their mechanical performances and reduce their porosity because in these conditions, the formation of polymer films intertwined with cement hydrates is favored. A test has also been developed to measure the adhesion of mortars on a support representing the concrete surface to be repaired. The influence of the presence of polymer and of the surface state of the support on the adhesion was analyzed, as well as the evolution of adhesion during the storage of specimens in different environments. These tests have shown that the addition of polymer can increase the adhesion of polymer-modified mortars comparing to unmodified mortars. After three months of curing, the adhesion is maximum from 10% of polymer. The increase of the roughness and saturation with water of the support did not induce any increase of the adherence comparing to flat and dry surfaces. As for the intrinsic properties of polymer-modified mortars, the curing at 40C improves the adherence while an immersion in water is unfavorable. Finally, the risk of corrosion of a steel bar embedded in the mortar was studied by characterizing the electrochemical properties of steel and the transfer properties of aggressive species in mortars. The addition of polymers in mortars enhances the protection of rebar thanks to their electrical insulation properties. In most cases, they also limit the diffusion of CO2 and chloride ions in the materialPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Experimental study of corrosion-induced degradation of reinforced concrete elements

Corrosion of steel reinforcement is the main cause of damage for reinforced concrete structures. Iron oxides produced during the corrosion process can induce concrete cracking, loss of adhesion at the steel-concrete interface, loss of reinforcing bar cross-section and even spalling of the concrete cover. In the presented research, the durability problems related to the corrosion of the reinforcement are investigated by combining experimental and numerical studies. However, this paper particularly focuses on the experimental methodology used for the time evolution of damages (steel corrosion products formation and crack patterns) induced by the accelerated corrosion test. The accelerated corrosion tests were carried out by applying a constant current between reinforcement used as an anode and a counter electrode. To control the corrosion process, electrochemical parameters (such as free corrosion potential, polarization resistance, electrical concrete resistance) were measured. The purpose of this paper is to determine the width and length of the cracks and their orientation according to the current density and time

Etude thermodynamique des equilibres entre phases du systeme AlCL3-NaCl-Al2O3

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Adhesive bonding : a method for construction, In : Organic materials for sustainable construction

Ce chapitre décrit les aspects du collage en génie civi

Le collage, méthode de construction. In : Matériaux organiques spécifiques pour la construction, chapitre 10

Ce chapitre donne l'état des connaissances sur le collage des matériaux de construction en s'appuyant sur les théories du collage, les formulations des colles et leur mise en oeuvre, le vieillissement des assemblages collés et les pistes de progrès dans ce domaine

Study of materials for sustainable sewer systems and preservation of the environment

Regardless of mechanical and structural behaviour, materials used in sewer systems are exposed to a very aggressive environment. One of the main problems is due to the presence of organic and inorganic sulfur compounds in the effluents allowing, with particular conditions (oxygen, pH, temperature ), to be consumed by sulfate-reducing bacteria to form hydrogen sulfide. In waste water, the decrease of pH involves the displacement of the equilibrium towards the formation of gaseous hydrogen sulfide which condenses on the emerged walls. Then, this last compound is oxidized by sulfur-oxidizing bacteria in sulfuric acid. The bio-physico-chemical mechanisms involve dissolution and cracks in materials, corrosion of reinforcing steel, etc, leading to irreversible damages of the sewer systems. With these deleterious conditions, more and more important given the new process used or contemplated for the management of sewer systems, the need of knowledge is fundamental to define what are the best materials and the best processes, what are the risks for the environment, and what are the costs for sustainable materials and repairs. In 2009, the LCPC has defined a research project for four years, which includes three aspects: -The comprehension of deterioration mechanisms, -The modeling of deterioration, -The definition of durable solutions for construction, repair and rehabilitation of sewer systems. Currently, the most commonly used materials to build or repair sewer systems are cementitious or polymeric materials. The behavior of these materials, according to their nature and composition, in environmental conditions similar to those encountered in sewer systems, has been investigated either by literature reviews or by experimental studies. Some proposals have been done on new design or process most likely to define sustainable structures to limit damages and thereby preserve the environment and consequently to avoid human interventions and associated costs. The presentation also describes the requirements still needed to calculate an accurate and safe lifecycle analysis