Stabilisation des sulfates et du molybdène par des liants alternatifs

Stabilization of sulfates and molybdenum by using alternative binders

• Auteur / Autrice : Laura Diaz Caselles
• Direction : Martin Cyr, Julie Hot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liants

Sulfates

Molybdène

Mots clés libres

Immobilisation

Mécanismes de stabilisation

Béton

Sol

Métaux lourds

Sulfates

Molybdène

Modélisation

Immobilization

Alternative binders

Stabilization mechanisms

Concrete

Soil

Sulfates

Molybdenum

Modeling

Résumé

Les opérations d'excavation produisent plusieurs tonnes de sols généralement contaminés par la présence de polluants. Les sols excavés sont considérés comme des déchets et sont soit envoyés en décharge, soit destinés à être réutilisés en fonction du niveau de pollution. Dans tous les cas, les sols doivent être correctement traités afin de : (i) diminuer le relargage de polluants dans l'environnement, et (ii) minimiser les problèmes entrainés dans les projets de génie civil liés aux réactions entre les phases cimentaires et les polluants. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les sulfates et le molybdène (Mo). Concernant les sulfates, nous avons considéré deux problématiques principales : (i) l'attaque sulfatique externe des structures en béton qui sont en contact direct avec des sols sulfatés (ex : barrages, fondations), et (ii) le relargage de sulfates en solution, en plus du gonflement et de la perte de résistance mécanique dans des sols sulfatés destinés à la valorisation (ex : réutilisation dans la construction de routes). Dans le cas du Mo, il peut se retrouver en solution, entraînant alors des risques importants pour l'environnement. Par conséquent, dans cette thèse, nous avons étudié la réaction du béton au contact des sulfates et la stabilisation des sulfates dans les sols en utilisant des liants alternatifs afin de réduire leur pollution et envisager leur réutilisation. De plus, nous nous sommes intéressés à l'interaction du Mo avec des liants alternatifs et leur capacité à stabiliser le Mo. Dans un premier temps, nous avons étudié la capacité de sept bétons différents à résister à l'attaque sulfatique externe dans des conditions expérimentales similaires. Le ciment Portland ordinaire a présenté des expansions élevées (>0,1%) en raison de la formation d'ettringite en excès provoquée par la réaction entre les aluminates et les sulfates. Pour le ciment Portland sans C_3A, des expansions plus faibles ont été mesurées, mais l'apparition de fissures à plus long terme a été attribuée à la formation de gypse. Par ailleurs, les liants alternatifs ont présenté de faibles expansions, de l'ordre de 0,01 à 0,03%, expliquées par l'absence de C_3A et de portlandite, en plus de la formation d'ettringite lors de l'hydratation (cas des liants ettringitiques) et de l'absence de calcium (cas du géopolymère à base de métakaolin). Dans un deuxième temps, nous avons comparé la capacité de quatre liants à stabiliser les sulfates dans des sols sulfatés. Les liants ayant une teneur élevée en C_3A ont entrainé des expansions élevées (>5%) à cause de la formation d'ettringite en excès. Ces liants ont également rélargué des métaux lourds en solution du fait de leur teneur élevée en clinker. En revanche, les liants contenant du laitier ont conduit à de faibles expansions (<2%), la rétention des sulfates a été d'environ 89%, et avec un relargage limité de métaux lourds.[...]

Excavation operations produce several tons of soil generally contaminated by the presence of pollutants. Excavated soil is considered as waste and it can be either sent to landfill or destined for reuse depending on the level of pollution. In any case, soil should be properly treated in order to: (i) decrease the release of pollutants into the environment, and (ii) minimize the problems involved in civil engineering applications due to the reactions between cementitious phases and pollutants. In the context of this thesis, we focused on sulfates and molybdenum (Mo). Concerning sulfates, we considered two main issues: (i) external sulfate attack of concrete structures, which are in direct contact with sulfate-rich soil (e.g. dams, foundations), and (ii) the release of sulfates into solution in addition to the swelling and mechanical strength loss in sulfate-rich soil intended for valorization (e.g. reuse in road construction). In the case of Mo, its release into solution is also a serious concern as it can lead to significant risks for the environment. Therefore, in this thesis, we investigated the reaction of concrete in contact with sulfates, and the stabilization of sulfates by using alternative binders for pollution reduction and for reuse of soil. Additionally, we studied the interaction of Mo with alternative binders and their capacity to stabilize Mo. First, we studied the capacity of seven different concretes to resist external sulfate attack under similar experimental conditions. It was found that ordinary Portland cement had high expansions (>0.1%) due to the formation of ettringite in excess caused by the reaction between aluminates and sulfates. Portland cement without C_3A presented lower expansions but gypsum was found to be responsible of cracking at later ages. Meanwhile, alternative binders had low expansions in the range of 0.01-0.03% explained by the absence of C3A and portlandite, in addition to the formation of ettringite during hydration (case of ettringite binders) and the absence of calcium (case of the geopolymer-based metakaolin). Second, we compared the capacity of four different binders to stabilize sulfates in a sulfate-spiked soil. Binders having high C_3A content led to high volume expansions (>5%) caused by the formation of ettringite in excess. These binders also released heavy metals into solution due to their high clinker content. In contrast, binders containing ground granulated blast furnace slag (GGBS) led to low expansions (<2%), sulfate retention was about 89% and lower heavy metals contents were detected in solution. Sulfate solubility was controlled by ettringite, which did not lead to expansion probably due to the low kinetics of precipitation in addition to the absence of portlandite, which is often related to expansive ettringite.[...]