Climate Change, Human Health, and Resilience in the Holocene

Climate change is an indisputable threat to human health, especially for societies already confronted with rising social inequality, political and economic uncertainty, and a cascade of concurrent environmental challenges. Archaeological data about past climate and environment provide an important source of evidence about the potential challenges humans face and the long-term outcomes of alternative short-term adaptive strategies. Evidence from well-dated archaeological human skeletons and mummified remains speaks directly to patterns of human health over time through changing circumstances. Here, we describe variation in human epidemiological patterns in the context of past rapid climate change (RCC) events and other periods of past environmental change. Case studies confirm that human communities responded to environmental changes in diverse ways depending on historical, sociocultural, and biological contingencies. Certain factors, such as social inequality and disproportionate access to resources in large, complex societies may influence the probability of major sociopolitical disruptions and reorganizations—commonly known as “collapse.” This survey of Holocene human–environmental relations demonstrates how flexibility, variation, and maintenance of Indigenous knowledge can be mitigating factors in the face of environmental challenges. Although contemporary climate change is more rapid and of greater magnitude than the RCC events and other environmental changes we discuss here, these lessons from the past provide clarity about potential priorities for equitable, sustainable development and the constraints of modernity we must address

Climate change, human health, and resilience in the Holocene

Climate change is an indisputable threat to human health, especially for societies already confronted with rising social inequality, political and economic uncertainty, and a cascade of concurrent environmental challenges. Archaeological data about past climate and environment provide an important source of evidence about the potential challenges humans face and the long-term outcomes of alternative short-term adaptive strategies. Evidence from well-dated archaeological human skeletons and mummified remains speaks directly to patterns of human health over time through changing circumstances. Here, we describe variation in human epidemiological patterns in the context of past rapid climate change (RCC) events and other periods of past environmental change. Case studies confirm that human communities responded to environmental changes in diverse ways depending on historical, sociocultural, and biological contingencies. Certain factors, such as social inequality and disproportionate access to resources in large, complex societies may influence the probability of major sociopolitical disruptions and reorganizations—commonly known as “collapse.” This survey of Holocene human–environmental relations demonstrates how flexibility, variation, and maintenance of Indigenous knowledge can be mitigating factors in the face of environmental challenges. Although contemporary climate change is more rapid and of greater magnitude than the RCC events and other environmental changes we discuss here, these lessons from the past provide clarity about potential priorities for equitable, sustainable development and the constraints of modernity we must address

Étude multi-physique des matrices cimentaires bas carbone et bas pH exposées à des environnements contenant du magnésium

IRSN is in charge of assessing the safety of the design of the French deep geological repository project for radioactive waste (Cigéo). One of the major safety issues concerns the closure systems. The cementitious materials used in civil engineering structures (underground geological disposal of radioactive waste, dams, etc.) are designed to withstand various stresses and strains for several decades or even hundreds of years. However, in contact with soft or sea water, the leaching of the cement matrix is accompanied by an enrichment in magnesium leading to the formation of brucite (filling the porosity and forming a protective layer) and/or magnesium silicate hydrates (M-S-H), the properties of which are little studied. With the emergence of new binders, the mineralogical composition of hydrated concrete changes and the mechanisms of alteration in the presence of magnesium are different from those encountered in ordinary portlandite-rich cements. The formation of M-S-H is favoured over that of brucite. The objectives of this thesis are: (i) to understand the reaction mechanisms of magnesium attack and M-S-H formation in low-calcium cementitious matrices, (ii) to study the influence of M-S-H formation on microstructural and mechanical properties and (iii) to propose microstructural and mechanical data of M-S-H that can be integrated in chemo-mechanical models.Firstly, the influence of the composition of the cementitious paste on the phases formed during magnesium attack was studied. The presence of portlandite implies the formation of brucite. Incomplete hydration of low C/S binders, even in the absence of portlandite, can also lead to the formation of brucite. M-S-H is formed within the paste and corresponds to a deep magnesium enrichment. Secondly, a characterisation of M-S-H was carried out on M-S-H pastes in order to acquire data on the intrinsic physical and mechanical properties of M-S-H and thus to be able, via small-scale chemo-mechanical modelling, to understand the mechanisms of damaged properties under these attacks. Finally, a multi-physical study, at the mesoscopic scale, of the damaged properties of low-calcium matrices by waters containing magnesium was carried out. Two low C/S cementitious pastes (model paste based on colloidal silica and real paste based on silica fume and slag - T3) were exposed to solutions with different Mg concentrations (5 and 50 mM). The chemical and mineralogical characterisation showed that a deep decalcification takes place in parallel with a strong magnesium enrichment of the paste, corresponding to the formation of M-S-H. Micro-structural and mechanical characterisations (by indentation), carried out to observe the evolution along this degradation front, showed an increase in porosity and a strong loss of local elastic properties despite the formation of M-S-H. Mechanical homogenisation, based on previously determined M-S-H paste data, confirms that degraded M-S-H have low elastic properties. Increasing the Mg concentration does not change the mineralogy and chemistry of the degraded zone but only the degraded depth. The results on the real paste (T3) are similar to those on the model paste, validating the results on the latter. In addition, the model paste was also studied in pure leaching to compare the impact of leaching with that of magnesium attack on the low C/S binders. A study using a reactive transport code was carried out to better understand the differences in kinetics and phenomenology. It confirms that the presence of magnesium accelerates the degradation.L’IRSN est en charge d’évaluer la sûreté de la conception du projet de stockage en couche géologique profonde des déchets radioactifs (Cigéo). L’un des grands enjeux de sûreté de ce dossier concerne les dispositifs de fermeture. Les matériaux cimentaires utilisés dans les ouvrages de génie civil (stockage géologique souterrain de déchets radioactifs, barrages etc.) sont conçus pour résister à diverses agressions ou sollicitations pendant plusieurs dizaines voire centaines d'années. Cependant, en contact d’eau douce ou d’eau de mer, la lixiviation de la matrice cimentaire s’accompagne d’un enrichissement en magnésium conduisant à la formation de brucite (comblant la porosité et formant une couche protectrice) et/ou de silicate de magnésium hydratés (M-S-H) dont les propriétés sont peu étudiées. Avec l’émergence de nouveaux liants, la composition minéralogique des bétons hydratés change et les mécanismes d’altération en présence de magnésium sont différents de ceux rencontrés dans des ciments ordinaires riches en portlandite. La formation des M-S-H est favorisée vis-à-vis de celle de la brucite. Cette thèse a pour objectif : (i) de comprendre les mécanismes réactionnels de l’attaque magnésienne et de la formation des M-S-H au sein des matrices cimentaires à faible teneur en calcium, (ii) d’étudier l’influence de la formation des M-S-H sur les propriétés micro-structurelles et mécaniques et (iii) de proposer des données microstructurales et mécaniques des M-S-H intégrables dans des modèles chemo-mécaniques.Dans un premier temps, l’influence de la composition de la pâte cimentaire sur les phases formées lors de l’attaque magnésienne a été étudiée. La présence de portlandite implique la formation de brucite. Une hydratation non complète des liants à faible C/S, même en l’absence de portlandite, peut aussi provoquer la formation de brucite. Les M-S-H se forment au sein de la pâte et correspondent à un enrichissement en magnésium en profondeur. Dans un second temps, une caractérisation des M-S-H a été réalisée sur des pâtes de M-S-H afin d’acquérir des données sur les propriétés physiques et mécaniques intrinsèques aux M-S-H et ainsi pouvoir, via une modélisation chemo-mécanique à petite échelle, comprendre les mécanismes d’altération des propriétés sous ces attaques. Enfin, une étude multi-physique, à l’échelle mésoscopique, de l’altération de matrices à faible teneur en calcium par des eaux contenant du magnésium a été réalisée. Deux pâtes cimentaires à bas C/S (pâte modèle à base de silice colloïdale et pâte réelle à base de fumée de silice et de laitier – T3) ont été exposées à des solutions avec des concentrations en Mg différentes (5 et 50 mM). La caractérisation chimique et minéralogique a permis de mettre en évidence qu’une profonde décalcification a lieu en parallèle d’un fort enrichissement en magnésium de la pâte, correspondant à la formation de M-S-H. Les caractérisations micro-structurelles et mécaniques (par indentation), réalisées pour observer l’évolution le long de ce front de dégradation, ont montré une augmentation de la porosité et une forte perte de propriétés élastiques locales malgré la formation des M-S-H. Une homogénéisation mécanique, à partir des données déterminées précédemment sur les pâtes de M-S-H, confirment que les M-S-H issus de dégradation possèdent de faibles propriétés élastiques. L’augmentation de la concentration en Mg ne modifie pas la minéralogie et la chimie de la zone dégradée mais uniquement la profondeur dégradée. Les résultats sur la pâte réelle (T3) sont similaires à ceux de la pâte modèle, validant les résultats sur celle-ci. En complément, la pâte modèle a aussi été étudiée en lixiviation pure pour comparer l’impact de la lixiviation à celle de l’attaque magnésienne sur les liants bas C/S. Une étude via un code de transport réactif a été réalisée pour mieux comprendre les différences de cinétique et de phénoménologie. Elle confirme que la présence de magnésium accélère la dégradation

Influence of porosity network on the chemo-mechanical evolution of low-pH cementitious materials subjected to calcareous attack

International audienceThis paper presents a study which aims to understand the degradation mechanisms induced in a low-pH cementitious matrix by a calcareous attack and then, to evaluate the porosity network influence on the degradation scenario. To reach these goals, three experimental campaigns were carried out in parallel. Hardened low-pH cement paste samples were made in laboratory-controlled conditions, then immersed in calcareous water containing a small amount of water. Concrete samples were then cast in industrial conditions, cured in a controlled environment, then immersed in the same experimental device. Finally, massive concrete blocks were cast and cured outside with industrial processes before immersion in the attack water. Chemo-mechanical characterizations (SEM, µCT, micro/nano-indentation) were performed to estimate the degradation state of the samples. Geochemical modelling was performed to validate experimental observations. Calcium and magnesium enrichment are the main phenomena in all cases. However, the degradation scenario changes with the curing protocol. Porosity closing is observed in samples cured in a controlled environment, whereas industrial curing conditions induce non-negligible chemical alteration due to a skin effect

Etude multi-échelle de l'influence de la précipitation de M-S-H sur le comportement chemo-mécanique de matériaux cimentaires

International audienceL’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA) s’est vue confier la responsabilité, au travers du projet Cigéo, de concevoir un stockage en couche géologique profonde de déchets radioactifs. L’IRSN est en charge d’évaluer la sûreté du projet. L’un des axes d’expertise de ce dossier concerne le système de fermeture des galeries. Celui-ci est composé d’un noyau de bentonite bloqué entre deux massifs d’appui en béton bas-pH. De précédentes études ont montré un potentiel enrichissement de lamatrice cimentaire en magnésium dû au contact avec l’eau porale des roches hôtes. Les analyses précédemment menées ont montré la formation de brucite et de silicate de magnésium hydraté (M-S-H) dans le matériau cimentaire. Les mêmes phénomènes (précipitation de M-S-H et de brucite) ont été observés au niveau de barrages et de structures marines au contact d’eaux plus ou moins riches en magnésium. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence de la précipitation des M-S-H sur le comportement chemo mécanique des matériaux cimentaires. Pour cela, une caractérisation chimique des matériaux sera réalisée pour comprendre les mécanismes de précipitation des M-S-H, couplée à une caractérisation mécanique permettant d’appréhender l’impact de l’enrichissement en magnésium sur les changements structuraux et sur les propriétés mécaniques au sein de la matrice cimentaire. L’étude multi-échelle se concentrera dans un premier temps sur des matériaux modèles puis s’étendra aux matériaux industriels au fur-et-à-mesure de l’acquisition de connaissances. Les matériaux modèles envisagés sont des pâtes de M-S-H synthétiques et des pâtes de C-S-H synthétiques. Les pâtes de M-S-H serviront à la caractérisation de l’hydrate seul tandis que les pâtes de C S-H seront immergées dans du MgCl2 pour permettre d’étudier l’ensemble de la zone enrichie en magnésium. Les résultats obtenus permettront d’enrichir les modèles numériques existants qui seront également utilisés pendant la thèse (Hytec notamment)

Chemical and Microstructural Properties of Designed Cohesive M-S-H Pastes

International audienceConcretes can be exposed to a magnesium attack in several environments leading to the formation of magnesium silicate hydrates (M-S-H) and brucite (MH). The formation of M-S-H is likely to alter the properties of the cement matrix because it is linked to the decalcification of C-S-H. However, relatively few data on M-S-H exist in the literature. In order to characterize, physically and mechanically, the M-S-H phase, pure M-S-H cohesive pastes are needed. This work studies the formation of cohesive M-S-H pastes made with MgO-to-SiO2 atomic ratios of 0.78, 1 and 1.3, from two types of silica (silica fume or colloidal silica) and under 20 °C and 50 °C thermal curing. X-ray diffraction and thermogravimetric analyses confirmed that the consumption of brucite and the formation of M-S-H were quicker with a 50 °C curing. Energy-dispersive X-ray spectroscopy and microtomography showed that colloidal silica enabled a better distribution of the particles than silica fume. Microstructural characterizations were conducted under the protocol with colloidal silica and 50 °C thermal curing. Porosity investigations allowed to describe the M-S-H pastes as highly porous materials with a low content of micropores in comparison with mesopores. The type of mixing influenced the mesopore size distribution

Effet d'une eau contenant du magnésium sur les propriétés chimiques et mécaniques d'une pâte de ciment à faible rapport C/S

International audienceDans le contexte d'une installation de stockage géologique profond de déchets radioactifs, un enrichissement en magnésium peut se produire dans la matrice cimentaire à l'interface avec la roche argileuse, dont l'eau interstitielle contient du Mg. Cet enrichissement conduit à la formation de silicate de magnésium hydratés (M-S-H) et/ou de brucite (MH). La formation de M-S-H est susceptible d'altérer les propriétés de la matrice cimentaire car elle est liée à la décalcification du C-S-H. Cependant, relativement peu de données existent sur les M-S-H dans la littérature. Afin de caractériser les conséquences de l'attaque magnésienne, une pâte cimentaire modèle, avec un faible rapport atomique Ca/Si, comme dans les liants en contact avec la roche argileuse, a été fabriquée et immergée dans une solution magnésienne à 5 mmol/L de MgCl2. Une analyse EDS couplée à de la DRX montre un enrichissement en Mg de la pâte se traduisant par la formation de M-S-H, associé à une décalcification. La zone enrichie en Mg possède des propriétés microstructurales similaires à celles déterminées précédemment sur des pâtes de M-S-H pures et montre un module de Young résiduel plus faible

Etude multi-échelle de l'influence de la précipitation de M-S-H sur le comportement chemo-mécanique de matériaux cimentaires

International audienceL’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA) s’est vue confier la responsabilité, au travers du projet Cigéo, de concevoir un stockage en couche géologique profonde de déchets radioactifs. L’IRSN est en charge d’évaluer la sûreté du projet. L’un des axes d’expertise de ce dossier concerne le système de fermeture des galeries. Celui-ci est composé d’un noyau de bentonite bloqué entre deux massifs d’appui en béton bas-pH. De précédentes études ont montré un potentiel enrichissement de lamatrice cimentaire en magnésium dû au contact avec l’eau porale des roches hôtes. Les analyses précédemment menées ont montré la formation de brucite et de silicate de magnésium hydraté (M-S-H) dans le matériau cimentaire. Les mêmes phénomènes (précipitation de M-S-H et de brucite) ont été observés au niveau de barrages et de structures marines au contact d’eaux plus ou moins riches en magnésium. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence de la précipitation des M-S-H sur le comportement chemo mécanique des matériaux cimentaires. Pour cela, une caractérisation chimique des matériaux sera réalisée pour comprendre les mécanismes de précipitation des M-S-H, couplée à une caractérisation mécanique permettant d’appréhender l’impact de l’enrichissement en magnésium sur les changements structuraux et sur les propriétés mécaniques au sein de la matrice cimentaire. L’étude multi-échelle se concentrera dans un premier temps sur des matériaux modèles puis s’étendra aux matériaux industriels au fur-et-à-mesure de l’acquisition de connaissances. Les matériaux modèles envisagés sont des pâtes de M-S-H synthétiques et des pâtes de C-S-H synthétiques. Les pâtes de M-S-H serviront à la caractérisation de l’hydrate seul tandis que les pâtes de C S-H seront immergées dans du MgCl2 pour permettre d’étudier l’ensemble de la zone enrichie en magnésium. Les résultats obtenus permettront d’enrichir les modèles numériques existants qui seront également utilisés pendant la thèse (Hytec notamment)

Etude multi-échelle de l'influence de la précipitation de M-S-H sur le comportement chemo-mécanique de matériaux cimentaires

International audienceL’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA) s’est vue confier la responsabilité, au travers du projet Cigéo, de concevoir un stockage en couche géologique profonde de déchets radioactifs. L’IRSN est en charge d’évaluer la sûreté du projet. L’un des axes d’expertise de ce dossier concerne le système de fermeture des galeries. Celui-ci est composé d’un noyau de bentonite bloqué entre deux massifs d’appui en béton bas-pH. De précédentes études ont montré un potentiel enrichissement de lamatrice cimentaire en magnésium dû au contact avec l’eau porale des roches hôtes. Les analyses précédemment menées ont montré la formation de brucite et de silicate de magnésium hydraté (M-S-H) dans le matériau cimentaire. Les mêmes phénomènes (précipitation de M-S-H et de brucite) ont été observés au niveau de barrages et de structures marines au contact d’eaux plus ou moins riches en magnésium. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence de la précipitation des M-S-H sur le comportement chemo mécanique des matériaux cimentaires. Pour cela, une caractérisation chimique des matériaux sera réalisée pour comprendre les mécanismes de précipitation des M-S-H, couplée à une caractérisation mécanique permettant d’appréhender l’impact de l’enrichissement en magnésium sur les changements structuraux et sur les propriétés mécaniques au sein de la matrice cimentaire. L’étude multi-échelle se concentrera dans un premier temps sur des matériaux modèles puis s’étendra aux matériaux industriels au fur-et-à-mesure de l’acquisition de connaissances. Les matériaux modèles envisagés sont des pâtes de M-S-H synthétiques et des pâtes de C-S-H synthétiques. Les pâtes de M-S-H serviront à la caractérisation de l’hydrate seul tandis que les pâtes de C S-H seront immergées dans du MgCl2 pour permettre d’étudier l’ensemble de la zone enrichie en magnésium. Les résultats obtenus permettront d’enrichir les modèles numériques existants qui seront également utilisés pendant la thèse (Hytec notamment)