Bienvenue sur le site du Département Génie Civil & Environnemental de l’Ecole des Mines de Douai.

Le Département Génie Civil & Environnemental est un des centres associés au Laboratoire Laboratoire Génie Civil et géo-Environnement (http://www.lgcge.fr/). Dans ce contexte, il réalise des recherches fondamentales et appliquées visant à mieux comprendre les interactions existantes entre les matériaux (sols et matériaux du Génie Civil qui pour certains d’entre eux sont, réalisés en partie avec des co-produits industriels) et leur environnement. Pluridisciplinaire, le département développe les aspects mécaniques et physico-chimiques, mais aussi les sciences du vivant à travers la biodétérioration, la bioremédiation et l’écotoxicologie. Ainsi la thématique de recherche intitulée « Matériaux du Génie Civil et Environnement » est en parfaite adéquation avec la stratégie de recherche axée autour des matériaux hétérophasés qui a été retenue pour l’Unité de Recherche « Matériaux, Procédés et Environnement » dont le Département Génie Civil & Environnemental fait également partie.

Le Département Génie Civil & Environnemental anime le Groupement d'Intérêt Scientifique Sites, Sols Sédiments Pollués ( GIS 3SP ) et est également partenaire du projet Sédimatériaux.

 Le Département Génie Civil & Environnemental a également pour mission de réaliser des actions de formation à travers l'option Génie Civil mais aussi grâce à la formation par la recherche de doctorants. La formation professionnelle sur les thématiques fortes du Département tient aussi une place importante dans l’activité pédagogique.

Bien évidemment nous restons à votre disposition pour mettre nos compétences à votre service dans une logique de partenariat scientifique et de transfert de connaissance.

Denis DAMIDOT

 

Faits marquants de l'année 2011

Le numéro Hors Série du journal Matériaux et Techniques (Vol.99 (5), 2011),  regroupant les actes du Xème Forum Biodétérioration des Matériaux à l'Ecole des Mines de Douai tenu les 9 et 10 novembre 2010, est paru en décembre 2011.

Venez découvrir son sommaire et parcourir l'Editorial de ce numéro.

Les travaux sur l'Etude de l'interaction matériaux-micro-organismes menés à l'Ecole des Mines de Douai sont également accessibles.

Faits marquants de l'année 2010

Tranfert du fonds documentaire de l'ATHIL :

 Le fonds documentaire de l'ATILH a été transféré à l'Ecole des Mines de Douai. Pour faire une recherche sur ce fonds, utilisez ce lien: http://cdoc.mines-douai.fr/emdcat/

 

X^ème Forum « Biodétérioration des Matériaux »

 Les 8 et 9 novembre 2010, le département Génie Civil & Environnemental de l’Ecole des Mines de Douai a organisé à Douai le X^ème Forum « Biodétérioration des Matériaux » sous l’égide de la Commission « Biodétérioration des Matériaux » du CEFRACOR en collaboration avec la Commission « Construction - Bâtiment ».

Ce Forum a réuni une cinquantaine de participants (chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs, industriels, doctorants,..) travaillant dans le domaine de la biodétérioration des matériaux et a permis de faire le point sur les dernières avancées de cette thématique de recherche, qui suscitent  un intérêt grandissant. En effet, on assiste à la prise en compte des interactions entre micro-organismes et matériaux avec des matériaux de plus en plus nombreux et variés. Ainsi, les matériaux métalliques, qui ont été les premiers étudiés à travers la biocorrosion, sont maintenant rejoints par les matériaux de construction, tels que les pierres et les mortiers ou bétons. Ces derniers ont été, par ailleurs, largement représentés lors de ce Forum. De plus, il est fort probable que plus de recherches soient dévolues aux matériaux polymères et composites dans un proche avenir. Une autre tendance forte concerne le développement de la modélisation des interactions entre micro-organismes et matériaux, visant à simuler l’évolution et ainsi la durée de vie de matériaux dans un environnement donné, comme par exemple dans le cas du stockage profond des déchets radioactifs.

Certaines des communications du Forum feront l’objet d’un numéro hors série du journal « Matériaux & Techniques ». Le prochain Forum  « Biodétérioration des Matériaux » aura lieu à l’Ecole des Mines de Saint Etienne en 2012.

 

Enseignement :

La première rentrée pour le Mastère spécialisé PPIB réalisé en partenariat avec la Fédération de l’Industrie du Béton, a eu lieu en septembre 2010.

Le 25 mars à Bercy, au Ministère de l’Economie, des Finances et de l’Emploi (MINEFE), pour la première fois depuis sa création en 2004, le challenge de jeu d’entreprises WINSTRAT a été remporté par l’Ecole des Mines de Douai. L’équipe vainqueur était constituée de 3 étudiants de 3ème année dont Guillaume PAYEN élève de l’option Génie Civil.

Le 4 juin au château de Béhoust, pour la première fois, le chalenge Talentissimo organisé par Saipem a été remporté par l’école des mines de Douai. L’équipe vainqueur était constitué de 5 étudiants de 3eme année dont Alice Pages et Leila Brahmia élèves de l’option Génie Civil.

 

Recherche et Transfert de Technologie :

L’activité de recherche a été importante ce qui a conduit à de nombreuses publications et soutenances de thèse de doctorat. Les faits marquants rapportés ci-après sont associés à des travaux de recherche effectués lors de thèse de doctorat.

De nombreuses études ont été consacrées à des concevoir des matériaux de construction utilisant des sédiments comme l’un de leurs constituants afin de trouver de voies de valorisation pour ces derniers dans le but ultime de créer des filières de valorisation économiquement viables. Une des originalités a été de développer des formulations à base de sédiments de dragage et de laitiers d’aciérie afin d’obtenir un matériau pouvant être utilisé en sous-couche routière. Dans ces formulations, les proportions d’un mélange optimal basé sur une compacité maximale ont été définies à l’aide d’un modèle d’empilement compressible. Puis une fois que le comportement mécanique des formulations a été réalisé, une tentative de dimensionnement d’une couche de chaussée a été mise en oeuvre. Le dimensionnement a été réalisé conformément la méthode française de dimensionnements des chaussées. L’objectif était d’étudier le potentiel des coproduits industriels pour une application en techniques routières en termes de contraintes et déformations admissibles. Comme pour toute valorisation, l’impact sur l’environnement des matériaux développés a également été exploré au travers d’essais de lixiviation. D’une façon générale, il est primordial à travers une caractérisation fine, de connaître les propriétés physico-chimiques des sédiments en fonction des différents gisements de ces derniers. La détection de polluants éventuels est aussi importante tout comme l’évolution de ceux-ci en fonction de l’environnement immédiat dans lequel ils se trouvent.

La valorisation des fines dans les bétons constitue également un enjeu majeur pour la fabrication de matériaux de construction compatibles avec les exigences du développement durable. Toutefois, la demande en eau importante de ces fines est l’un des freins principaux à leur valorisation dans les bétons. Une utilisation plus systématique de ces matériaux nécessite donc une adaptation des méthodes de formulation utilisées pour les bétons conventionnels. L’influence des différents paramètres (surface spécifique, compacité, morphologie, composition minéralogique des particules, …) sur la demande en eau des fines doit ainsi être maîtrisée afin de pouvoir adapter les méthodes de formulation actuelles aux bétons contenant des volumes importants de fines. Ainsi des travaux ont été réalisés pour développer une modélisation de la microstructure des suspensions fines/ciment de manière à relier leur demande en eau et leur comportement rhéologique aux caractéristiques physico-chimiques des particules qui les composent. Un modèle numérique aux éléments discrets permettant de simuler le comportement d’assemblages granulaires non browniens et non colloïdaux constitués de fines particules viscoélastiques rugueuses de forme sphérique interagissant dans un milieu sec ou saturé a été développé. Ce modèle prend en compte les forces attractives (forces de Van de Waals) et répulsives (forces électrostatiques) calculées à partir de la théorie classique DLVO et permet ainsi de tenir compte de l’influence de la composition interstitielle de la solution et de la nature minéralogique des particules sur l’agglomération. Le modèle a tout d’abord été validé pour des systèmes granulaires secs mono disperses, avec des tailles de particules comprises entre 1 et 100 µm. La modélisation d’agglomérats de fines particules en suspension cisaillés sous l’effet d’un gradient de vitesse permet maintenant de décrire les phénomènes: un agglomérat initial, de dimension fractale connue, est soumis à un gradient de vitesse constant, puis se sépare progressivement en plusieurs agglomérats dont les dimensions et la géométrie dépendent du gradient de vitesse, de la taille et de la composition minéralogique des particules et de la composition de la solution interstitielle (Figure 1). Le calcul de la compacité moyenne des agglomérats permet ensuite d’étudier l’influence de l’ensemble des paramètres étudiés sur la demande en eau des suspensions.

 

Agglomérat initial et conditions aux limites utilisées	Agglomérat en cours de cisaillement	Etat stationnaire : nombre d’agglomérats de formes et de tailles constantes

Figure 1. Modélisation d’agglomérats de fines particules en suspension cisaillés sous l’effet d’un gradient de vitesse

 

Une étude visant à trouver une méthode originale de stabilisation de métaux lourds dans une matrice cimentaire a également conduit à une première série de résultats innovants. En effet lorsque des déchets contenant des métaux lourds sont inertés à l’aide d’une matrice cimentaire, il y a parfois une interaction conduisant à un ralentissement voir même une totale inhibition de la prise et donc du durcissement de la matrice. Pour palier à ce problème et conduire à une inertage encore plus efficace, une voie originale consiste à intégrer directement les métaux lourds dans le ciment lors du procédé de clinkersation (cuisson à haute température permettant d’obtenir le ciment). Les essais réalisés sur le zinc (Zn) ont permis de comparer cette approche à l’approche traditionnelle d’inertage dans une matrice cimentaire. Lors de la clinkerisation, le zinc commence par s’accumuler dans le silicate tricalcique et les aluminates de calcium puis une nouvelle phase (Ca₆Zn₃Al₄O₁₅) apparaît pour des teneurs initiales massiques en Zn supérieures à 0,7%. La répartition du zinc dans les différentes phases peut être mise en évidence par la cartographie des éléments chimiques obtenue avec une microsonde associée à un microscope électronique à balayage (Figure 2). Ainsi la formation d’une quantité importante de Ca₆Zn₃Al₄O₁₅ à des teneurs en Zn supérieures à 0.7% induit une diminution de la quantité d’aluminate tricalcique.

Figure 2. Cartographie des principaux éléments chimiques pour un clinker dopé en Zinc.

 

La réactivité des ciments réalisés à partir des clinkers dopés en zinc a démontré que le zinc ainsi incorporé dans le clinker n’avait aucun effet retardateur de prise même à des teneurs massiques de plus de 1% contrairement à l’effet de la même quantité de zinc apportée sous la forme d’un sel lors du gâchage. La différence de comportement provient de la vitesse de relargage du zinc qui est plus lente lorsque cet élément chimique est contenu dans les phases du clinker qui réagissent petit à petit au lieu d’être directement disponible. Ainsi la stabilisation du zinc dans le clinker semble être une bonne alternative à l’inertage dans une matrice cimentaire.

 

Les travaux menés sur la biodétérioration des mortiers armés par les bactéries du genre Acidithiobacillus connues pour rapidement altérer les mortiers et bétons dans les égouts ont permis de quantifier et de comprendre les mécanismes bio-physico-chimiques impliqués et ainsi de démontrer que le dispositif expérimental mis au point pouvait servir de base à un test accéléré permettant de discriminer différentes formulations de mortiers armés, et, notamment, des formulations avec des aluminates de calcium (CAC) par rapport à celles contenant un ciment Portland (OPC). Le dispositif expérimental retenu est basé sur un essai de biolixiviation de mortiers par une suspension bactérienne de Acidithiobacillus thiooxidans. Après deux à trois mois de biolixiviation, les mortiers sont recouverts d’un biofilm et présentent deux zones altérées à leur surface; une zone endommagée très altérée en contact avec la suspension et une zone intermédiaire moins altérée entre la zone endommagée et le cœur sain du mortier non altérée (Figure 3).

Figure 3. Microstructure d’un mortier d’aluminate de calcium après l’essai de biolixivation

 

Comme la minéralogie diffère pour les pâtes des mortiers réalisés à partir de ciment Portland ou d’aluminate de calcium, les zones altérées présentent des minéralogies spécifiques et conduisent à des intensités de biodétérioration différentes, pouvant être estimées par un indice d’attaque qui a été spécifiquement défini. Cet indice permet de confirmer de façon quantitative que les mortiers réalisés avec un aluminate de calcium sont moins biodétériorés que ceux réalisés à base de ciment Portland. L’essai de biolixiviation qui a été développé pourrait donc servir de test pour évaluer la performance de diverses formulations de matériaux cimentaires vis-à-vis de la biodétérioration par Acidithiobacillus thiooxidans.

 

Faits marquants de l'année 2009

Enseignement :

Les élèves de l’option Génie Civil ont participé à de nombreuses compétitions interécoles. Ils ont été classés 3ème lors du Challenge Construction Durable. D’autres défis ont été relevés comme la participation à des compétitions de canoë en béton. Vingt projets de découverte de la recherche ont permis aux élèves de participer à des projets de recherche en collaboration avec les enseignants-chercheurs et les doctorants.

Les échanges bilatéraux d’élèves avec des Universités étrangères et notamment l’Université de Hohai à Nankin (Chine) ont été amplifiés.

Recherche et Transfert de Technologie :

Les faits marquants au niveau de l’activité de recherche sont principalement associés aux thèses soutenues au cours de l’année 2009.

Le premier travail de thèse visant à étudier l’hydratation des sulfoaluminates de calcium qui sont une alternative intéressante vis-à-vis du ciment portland pour réduire les émissions de CO2 lors de la production du ciment, a été soutenu. Cette étude visait à mettre en évidence les potentialités de ce nouveau type de ciment pour le
conditionnement du zinc qui inhibe la prise du ciment Portland. Il en résulte que les matériaux à base de sulfoaluminate de calcium mélangé à 20 % de gypse, sont de bons candidats pour le conditionnement du zinc : pas de retard d’hydratation, assemblage minéralogique robuste vis-à-vis de la température (dans la gamme 20 – 85°C), bonne résistance mécanique, stabilité dimensionnelle et très bonne rétention
du zinc, même lors d’une lixiviation prolongée par l’eau pure. La très bonne rétention du zinc par fixation de ce dernier à la surface de la gibbsite formée lors de l’hydratation fait probablement intervenir des complexes de surface.

Micro-analyse à un grossissement de 40 000 X .

                       400 000X                                       Figure de diffraction à 400 000X

La thématique sur la valorisation des sédiments en BTP a été poursuivie d’une part, au niveau de l’utilisation des sédiments marins et fluviaux en technique routière et d’autre part, dans des bétons de sable. L’étude de la formulation de matériaux contenant des sédiments pour une utilisation en assise de chaussée a été basée sur un modèle d’empilement compressible largement développé pour la formulation des bétons. Pour mettre en place cette méthode, une nouvelle technique de mesure de la compacité réelle de classes granulaires a été développée conformément à la méthode de préparation des échantillons pour l’étude du comportement mécanique de matériaux dans le domaine des travaux routiers. Les mélanges granulaires déduits ont ensuite été traités au ciment et/ou à la chaux pour améliorer leurs performances mécaniques. Sur la base de cette démarche, les mélanges développés remplissent les conditions d’utilisation en couches d’assise de chaussées sur le plan mécanique.

Dispositif expérimental utilisé pour mesurer les caractéristiques mécaniques des échantillons à base de sédiments marins et fluviaux.

Dans un contexte de développement durable, la valorisation des sédiments et de sable de dragage permet de faire face à l’épuisement de granulats. Ces deux onstituants peuvent servir de base à la confection de bétons de sable qui présentent des caractéristiques mécaniques identiques et parfois meilleures que les bétons classiques contenant des granulats et une quantité équivalente de ciment. Les bétons de sables formulés étant composés majoritairement des constituants issus du dragage sont donc très compétitifs d’un point de vue économique.

L’impact sur l’environnement des matériaux développés a également été exploré au travers d’essais de lixiviation. D’une façon générale, il est primordial à travers une  caractérisation fine, de connaître les propriétés physico-chimiques des sédiments en  fonction des différents gisements de ces derniers. La détection de polluants éventuels est aussi importante tout comme l’évolution de ceux-ci en fonction de l’environnement immédiat dans lequel ils se trouvent. Par exemple, pour appréhender le devenir des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans l’écosystème fluvial, deux principaux aspects sont actuellement étudiés: d’une part les transformations que subissent les HAP dans la colonne sédimentaire et d’autre part leur transfert dans la colonne d’eau.Le traitement des sédiments est parfois nécessaire avant d’envisager une valorisation. Si les sédiments sont contaminés par des métaux, un traitement par phytoextraction peut être envisagé. Une étude a été menée sur le devenir du cadmium (Cd) présent dans un sédiment de curage lors de la culture d’A. halleri, plante hyperaccumulatrice de Zn et Cd. Pour cela, un suivi des teneurs en Cd a été réalisé dans le sédiment, le  parties aériennes de la plante et les lixiviats lors de la culture en pot. La présence de plantes diminue la quantité de Cd lixivié, mais ne modifie ni la fraction échangeable ni le pool phytodisponible en Cd. Avant culture, le Cd est présent sous forme d’un sulfure mixte de Zn, Cd et Fe. Après 5 mois de culture, cette espèce est totalement oxydée en présence de plantes et presque totalement dans les pots sans plante. L’analyse des parties aériennes par autoradiographie en utilisant 109Cd montre que le métal est transféré aussi bien dans les feuilles jeunes que les matures, ces dernières montrant un enrichissement des tissus périphériques. 

Photographie (gauche) et autoradiographes (centre et droite) de A. halleri. Sur l’autoradiographe, les zones sombres correspondent aux zones enrichies en ¹⁰⁹Cd. Le zoom sur une feuille mature représentative en terme d’intensité radioactive montre un enrichissement en Cd en périphérie des feuilles.

Dans le cadre de la thématique de recherche commune de l’Unité de Recherche MPE, une étude expérimentale et numérique de bétons à ultra hautes performances renforcés avec des fibres et des poudres issues du recyclage des matériaux composites thermodurcissables a été engagée. L’optimisation des quantités de fibres et de poudres dans la matrice a été réalisée en tenant compte de la rhéologie et des résistances mécaniques en flexion, traction et compression. L’incorporation des fibres et des poudres en substitution du sable permet d’atteindre des augmentations de résistance en flexion de l’ordre de 32% et de 68% en traction directe uni-axiale. L’incorporation des poudres par substitution de la fumée de silice conduit à des augmentations de résistance en flexion de 37% et de 60% en traction directe. Afin d’améliorer encore les performances mécaniques, l’interface fibre-matrice qui conditionne la transmission des efforts et la résistance du matériau, a été traitée par silanisation. L'adhésion des fibres traitées et non traitées à la matrice a été étudiée en utilisant un essai d’arrachement. Les résultats obtenus démontrent que le traitementpar silanisation peut renforcer le lien interfacial fibre-matrice, en particulier par l’augmentation de l'énergie à l’arrachement. La microstructure des fibres traitées et arrachées révèle une grande quantité de matériaux cimentaires adhérant à la surface de la fibre qui contribue à la friction et à la résistance pendant l’arrachement de la fibre.

Observation par MEB de la surface de la fibre avec différent dosage en silane : (a) fibres non traitées avant essai; (b) fibre non traitées après essai; (c-d) fibre traitée à deux pourcentages différents en silane.