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Several deteriorations of concrete were detected in sewer environment. Some of these deteriorations are due to hydrogen sulphide presence in the aerial part of sewer pipe. Indeed, some microorganisms (mainly sulfur-oxidizing microorganisms) consume H2S as nutrients and provoke oxidation of H2S into sulfuric acid. This sulfuric acid production leads to the cementitious matrix dissolution and expansive products formation (gypsum and ettringite). These mechanisms conduct to expensive work of rehabilitation and more efficient solutions are essential, in particular for the choice of materials, to a better management of wastewater collection systems. The aim of this study is to determine the behaviour of different cementitious materials exposed to sewer pipe conditions over time. A laboratory test and a model were proposed to answer to this request. The laboratory test reproduces and accelerates biodeterioration mechanisms. Different cementitious materials (mortars based on CEM I, CEM III, CEM V, and CAC cements) were exposed to this test and their behavior was studied thanks to three sustainability criteria (visual aspect, surface pH, and weight loss). The better resistance of CAC mortars is strongly highlighted with these sustainability criteria. The model used simulates the sulfuric acid attack of the same cements as in the experimental part. This model also highlights the better resistance of CAC cement and the main reason is the mineralogical composition of this type of cement. Consequently, these two technics lead to preconize a chemical composition adapted to these aggressive conditions.; Différentes dégradations des matériaux cimentaires sont observées dans les réseaux d'assainissement. Certaines de ces dégradations sont, par exemple, provoquées par la présence de l'hydrogène sulfuré dans la partie aérienne des canalisations. En effet, des micro-organismes sulfooxydants, constituant en partie le biofilm déposé sur la paroi cimentaire de cette partie aérienne de la canalisation, consomment l'hydrogène sulfuré et provoquent l'oxydation de ce gaz en acide sulfurique. Cette production d'acide sulfurique entraîne la dissolution de la matrice cimentaire et la formation de produits expansifs tels que le gypse et l'ettringite. Ces mécanismes de biodétérioration conduisent à des travaux de réhabilitation onéreux, et des solutions efficaces notamment dans le choix des matériaux sont donc essentielles pour une meilleure gestion des réseaux d'assainissement. Le but de cette étude est de déterminer le comportement dans le temps de différents types de matériaux cimentaires exposés aux conditions d'un réseau d'assainissement. Un test en laboratoire ainsi qu'un modèle sont proposés afin de répondre à cette problématique. Le test en laboratoire reproduit et accélère les mécanismes de biodétérioration. Différents types de matériaux cimentaires - mortiers à base de ciments CEM I, CEM III, CEM V et de ciments d'aluminate de calcium (CAC) - sont exposés au test de biodétérioration et leur comportement est étudié à partir de trois principaux critères (l'aspect visuel, la mesure du pH de surface et la mesure d'une perte de masse après un traitement aux ultrasons). Le modèle utilisé en parallèle simule l'attaque par l'acide sulfurique de ces mêmes matériaux. Les résultats expérimentaux obtenus ainsi que le modèle soulignent fortement la meilleure résistance des ciments d'aluminate de calcium par rapport aux ciments Portland. La principale raison justifiant cette meilleure résistance est la composition minéralogique de ce type de ciment. Ces deux outils opérationnels permettent donc de préconiser l'utilisation de certains de ces matériaux dans les conditions agressives d'un réseau d'assainissement.

Sewer networks contain many aggressive and corrosive agents for pipe materials. One type of damage can be ascribed to concrete corrosion by biogenic sulfuric acid. According to field data, cementitious materials have different behaviors depending in particular on cement type: Those made with calcium aluminate cement (CAC) offer better performance than those made of ordinary Portland cement (OPC). The development of an accelerated and accurate laboratory test is essential to better understand the mechanisms involved for all cementitious materials. However, to define such a test, some additional knowledge is required. The present study deals with in situ experiments in order to determine the biochemical parameters influencing the behaviors of OPC and CAC materials. Based on these determinations, supplemented by laboratory studies, it can be concluded that abiotic oxidation of hydrogen sulfide, bioreceptivity of the mineral surface, and growth of bacterial strains depend greatly on cementitious material types. All these results, complemented by literature data, lead to consideration of what the best parameters are to study biodeterioration of cementitious materials, and have been helpful in designing the biodeterioration chamber tested.

The present study deals with the exposure of four different mortar formulations in the headspace of two distinct sewer networks prone to biodeterioration phenomenon due to the presence of hydrogen sulphide. Cylindrical specimens composed of two cements, ordinary Portland cement (OPC) and calcium aluminate cement (CAC), with or without a substitution of 75% of cement by blast furnace slag (BFS) were prepared and exposed. During the exposure, the evolution of cement materials was monitored. After 4 years exposure, OPC materials without BFS are deeply deteriorated at high speed. Best performances have been observed with CAC mortars correlated to their higher content in aluminium ion (Al3+). The rank of durability observed on site is OPC\OPC+BF\CAC+BFS\CAC. Molecular biology analysis revealed that microbial diversity is varying according to binder type as well as during the exposure duration.; L'étude porte sur une exposition de 4 ans de mortiers dans deux réseaux d'assainissement présentant des concentrations éleÎes en H2S. les formulations des mortiers sont à base de ciment portland, de ciment aux laitiers de hauts fourneaux, de ciment d'aluminate de calcium avec ou sans laitier de hauts fourneaux. Après 4 ans, les mortiers à base de ciment portland sont très détériorés contrairement à ceux formulés avec les ciments d'aluminate de calcium et cela peut être corrélé avec la teneur éleÎe en ions aluminium dans ces derniers.

According to FD P18-011 standard, it is recommend to protect concrete when the exposure conditions to chemicals exceed specific thresholds. For wastewater infrastructures exposed to biocorrosion initiated by the presence of H2S, this standard recommends the application of a coating to protect the concrete when maximum thresholds are exceeded. While the term 'coating' is often understoood as polymer, this study is limited to various cementitious materials that have been exposed in situ in severe conditions; they have been characterized every four months for nearly three years. These mineral solutions have the advantage to be fully suitable for wet environments, to block infiltrations and depending on the applied thickness to restore structural integrity. It appears from this study that specimens based on calcium aluminate are showing a good resistance to biocorrosion despite surface pH is in the 2-4 range. The good behavior of these specimens has been correlated with the presence of aluminum which inhibits bacterial activity. These results suggest that 'coatings' used to protect cementitious materials in areas with high H2S concentration can be made with appropriate cementitious solutions.; Les recommandations actuelles de la norme FD P18-011 préconisent de protéger le béton lorsque les conditions d'exposition chimique excèdent certains seuils. Dans le cas des ouvrages d'assainissement soumis à la biocorrosion initiée par la présence d'H2S, cette norme préconise l'application de reÐtement pour protéger le béton lorsque les seuils maximaux sont dépassés. Si le terme 'reÐtement' évoque généralement un produit polymère, la présente étude porte uniquement sur différentes formulations cimentaires qui ont été exposées in situ dans des conditions séÏres et caractérisées tous les quatre mois. Ces solutions minérales ont l'avantage d'être totalement adaptées aux environnements humides, d'étanchéifier et suivant l'épaisseur appliquée de retrouver une intégrité structurale. Après près de trois ans d'exposition, les formulations cimentaires à base d'aluminates de calcium montrent une très bonne tenue à la biocorrosion malgré des pH de surface se maintenant entre 2 et 4. Le bon comportement de ces formulations a pu être corrélé avec la présence d'aluminium qui inhibe l'activité bactérienne. Ces résultats suggèrent que les 'reÐtements' utilisés pour protéger les matériaux cimentaires dans les zones à très fortes teneurs en H2S pourraient être réalisés avec des solutions cimentaires adaptées.

Bio-deterioration of concrete, which is very common in sewer system and waste water treatment plant, results in significant structure degradation. Normally, the process can be described by the two following parts: 1) Biochemistry reactions producing biogenic aggressive species in biofilms which are spread on the surface of concrete. As one of the most significant biogenic acid in sewer pipes, sulfuric acid (H2SO4) is produced by sulfur oxidizing bacteria (SOB). 2) Chemical reactions between biogenic aggressive species and cement hydration products which is responsible for concrete deterioration. A reactive transport model is proposed to simulate the bio-chemical and chemical deterioration processes of cementitious materials in contact with SOB and H2S or sulfuric acid solution. This model aims at solving simultaneously transport and biochemistry/chemistry in biofilms and cementitious materials by a global coupled approach. To provide an appropriate environment for SOB to grow, the surface neutralization of concrete (i.e., the absorption of H2S and aqueous H2S corrosion) is considered. To obtain the amount of biogenic H2SO4, the bio-oxidation of H2S by the activation of bacteria is simulated via a simplified model. To provide a suitable environment for SOB to grow, the abiotic pH reduction of concrete process is introduced. The production rate of H2SO4 is governed by the pH in the biofilms and the content of H2S in gas.It is assumed that all chemical processes are in thermodynamical equilibrium. The dissolution of portlandite (CH) and calcium silicate hydrates (C-S-H) and the precipitation of gypsum (C¯S H2) and calcium sulfide are described by mass action law and threshold of ion activity products. To take into account the continuous decrease of the Ca/Si ratio during the dissolution of C-S-H a generalization of the mass action law is applied. By simplifying the precipitation process of gypsum, a damage model is introduced to characterize the deterioration of concrete due to the swelling of gypsum. Thus, the porosity evolution and deterioration depth during deterioration process are taken into account. Only diffusion of aqueous species are considered. Different diffusion coefficients are employed for various ions and Nernst-Planck equation was implemented. The effect of the microstructure change during deterioration on transport properties is considered as well. For both biofilms and cementitious materials, the balance equations of total mass of each atom (Ca, Si, S, K, Cl) are used to couple transport equations and (bio-)chemical reactions. The model is implemented within a finite-volume code, Bil. Following the introduction of principle of the finite volume method, the coupling of the bio-chemistry process in biofilms and chemistry process in cementitious materials is illustrated. By this model, some experiments reported in literature, including chemical immersion tests (statical solution condition and flow solution condition) and microbiological simulation tests, are simulated. The numerical results and the experimental observations are compared and discussed. The influence of properties of cementitious materials (initial porosity, carbonated layer, etc.) and environmental factors (concentration of H2SO4, content of H2S, etc.) are investigated by this model as well. Furthermore, a long term predictionis conducted

Cementitious materials biodeterioration in sewer networks is an important problem for sewer networks managers. This deterioration process is due to the implication of two biofilm involved in the sulfur cycle. Microorganisms of the first biofilm will reduce sulfate and organic sulfur compounds into H2S in the effluent and then, the second biofilm oxidizes it into sulfuric acid in the structure headspace. This biogenic acid usually leads to the cementitious matrix dissolution. However, cementitious materials do not equivalently face biogenic acid attack. In very aggressive conditions, those made of ordinary Portland cement are highly deteriorated while those based on calcium aluminate cement show good on-site performances. So far, only chemical testing standard procedures are available to predict service life of materials intended for sewer networks but they are not representative of the phenomenon because they do not consider microbial development. Nowadays, it is necessary to develop a new test that could be standardiable involving microorganisms. Such a test has been developed at Ifsttar and provides interesting results.

Sewer networks should withstand several aggressions, including biodeterioration processes. This study is focusing on cementitious materials since, depending on their composition, these materials do not display the same behaviour when biogenic sulfuric acid attack occurs. In severe conditions, ordinary Portland cement materials can be deteriorated, while calcium aluminate cement (CAC) materials show good resistance to biogenic corrosion. Results show that this durability difference is due to the difference of cement mineralogy. Firstly, the H2S abiotic oxidation into elemental sulfur is less favourable on CAC. Hence it provides much less nutrients for sulfur-oxidizing microorganisms. Then, the presence of high aluminium content in CAC provides a combination of interesting properties to face biogenic acid attack. The hydrated alumina reacts with acid to create an alumina gel layer, stable up to pH 3-4. The acid attack leads to the release of aluminium ions displaying a bacteriostatic effect on neutrophilic sulfur-oxidizing microorganisms. Finally, an alumina gel precipitates on the surface. This gel has an impact on cement surface porosity which therefore reduces the acid impact and probably limiting biofilm adhesion.

Sewer networks are subjected to many corrosion agents leading to deterioration of variant magnitude. One type of damage can be ascribed to concrete corrosion by biogenic sulfuric acid. According to field data, cementitious materials have different behaviours depending more especially on cement type. Those made with calcium aluminate cement (CAC) offer better performance than those made of ordinary Portland cement (OPC). This difference of durability may have three origins that can be combined. The first one is due to the oxidation of hydrogen sulfide at the surface of each materials leading to a lower amount of elemental sulfur deposited on CAC materials due to the difference of matrix composition (chemical composition and mineralogy). Elemental sulfur is then oxidized into sulfuric acid by microorganisms and leads to cementitious materials corrosion. The second one, the alumina content of CAC materials stabilizes the surface pH at around 3-4 and therefore limits the development of the most deleterious sulfur oxidizing bacteria. The last one, the aluminium content of CAC has a bacteriostatic effect on some microorganisms, limiting biofilm development. All that results are participating at the good performances of CAC materials.

La biodétérioration des réseaux d'assainissement en béton débute par l'action des bactéries aérobies sulfato-réductrices présentes dans les boues. Celles-ci utilisent les composés soufrés de l'effluent et excrètent de l'hydrogène sulfuré biogénique (H2S). Celui-ci pourra réagir avec le béton, soit directement en entraînant une chute du pH, soit indirectement en tant que nutriment d'un biofilm, via des bactéries sulfo-oxydantes, en symbiose ou non avec des micro-champignons. Il y aura alors production d'acide sulfurique biogénique en réaction avec le béton et formation de produits expansifs, pouvant provoquer une ruine du matériau.

Les réseaux d'assainissement représentent un patrimoine important et parfois insoupçonné ; pour de nombreuses collectivités, il est même le premier poste de valeur patrimoniale. Ainsi améliorer la gestion patrimoniale de ces réseaux est un enjeu primordial d'un point de vue technique et économique et pour des raisons évidentes de sécurité. Cette gestion patrimoniale inclut la hiérarchisation des priorités de maintenance, la mise à disposition d'outils de prédiction du vieillissement et de traitements ou réparations fiables à coûts raisonnables afin d'assurer la durabilité des ouvrages construits en béton armé. La problématique liée à la biodétérioration des bétons par formation d'hydrogène sulfuré dans les effluents des réseaux est récurrente et les conséquences peuvent très rapidement mener à la ruine des ouvrages. Pour appréhender les mécanismes initiateurs de ces dégradations, comprendre l'influence des différents paramètres, choisir les matériaux cimentaires adéquates et à terme proposer des solutions constructives innovantes, des essais en laboratoire et une étude in situ sont en cours, menée par l'IFSTTAR en collaboration avec le SIBA (Syndicat Intercommunal du Bassin d'Arcachon) et la SABARC - Veolia Eau (Société d'Assainissement du Bassin d'Arcachon). Ainsi, des échantillons avec différentes formulations de mortiers (à base de ciment portland, de ciment d'aluminate de calcium et de ciment au laitier de haut fourneau) sont exposées dans deux sites (S1 et S2) présentant des teneurs en hydrogène sulfuré de l'ordre de quelques à plusieurs centaines de ppm. Cette présentation explicitera clairement comment s'articulent le management intégré des réseaux d'assainissement et les outils de gestion patrimoniale avec les études sur les dégradations des ouvrages en béton soumis à un environnement agressif tel que l'hydrogène sulfuré; et sera également axée sur la démarche suivie pour ces expérimentations in situ, avec description des dispositifs mis en place, des moyens analytiques utilisés.

Les matériaux constitutifs des réseaux d'assainissement sont parfois exposés à un environnement très agressif. En effet, les effluents contiennent des composés soufrés organiques et inorganiques qui peuvent être utilisés par des bactéries sulfato-réductrices pour former du sulfure d'hydrogène. Ce dernier, sous forme gazeuse, se condense sur les parois des réseaux et est oxydé sous la forme d'acide sulfurique par des bactéries sulfo-oxydantes. Le LCPC a entrepris des recherches visant à améliorer la compréhension des mécanismes de dégradation mis en jeu pour, à terme, pouvoir proposer des solutions de construction, de réhabilitation et de réparation adaptées. L'objectif de cette contribution est de présenter des résultats obtenus sur des matériaux cimentaires. Pour la partie expérimentale, deux types d'appareillage ont été mis en place, l'un permettant de réaliser des essais de vieillissement purement chimique en milieu acide, et l'autre, des essais de vieillissement biochimique en présence de bactéries permettant de simuler l'environnement présent dans les réseaux d'assainissement. L'analyse des données des mesures de pertes de masse, des observations MEBE complétées par des microanalyses EDS, de diffractométrie des rayons X, etc. des matériaux cimentaires étudiés, a permis de quantifier les dégradations et de montrer l'avantage des essais de vieillissement par voie biochimique.

La biodétérioration des matériaux cimentaires dans les réseaux d'assainissement se décompose en deux étapes. La première est la réduction des composés soufrés présent dans les effluents par des bactéries anaérobies. L'hydrogène sulfuré ainsi produit passe dans la partie aérienne de la canalisation et se condense sur les parois. La seconde étape est l'oxydation de l'hydrogène sulfuré en acide sulfurique par une succession de bactéries aérobies sulfo-oxydantes. Cet acide va ensuite ruisseler sur la surface du matériau cimentaire et conduire à sa dissolution ainsi qu'à la formation de produits expansifs tels que le gypse et l'ettringite. Le pH de surface des matériaux cimentaires, initialement de 13-14, va diminuer durant tout le processus pour atteindre des valeurs de l'ordre de 0,5-1 pour les matériaux cimentaires à base de ciment portland et de l'ordre de 3,5-4 pour ceux à base de ciment d'aluminate de calcium. Une étude bibliographique complète a été réalisée sur la biodétérioration des matériaux cimentaires dans les réseaux d'assainissement. Cette étude montre que différentes équipes de recherche ont essayé d'en comprendre les mécanismes soit en recréant les phénomènes en laboratoire avec ou sans microorganismes, soit en exposant des échantillons sur site. Les essais purement chimiques sont basés sur le fait que la détérioration puisse être assimilée à une attaque acide puisque les microorganismes produisent des métabolites acides et de l'acide sulfurique. Ces essais sont simples, rapides et demandent peu de moyens mais les résultats obtenus ne représentent pas nécessairement ce qui se passe dans les réseaux d'assainissement. Par exemple, aucun matériau cimentaire, que ce soit un aluminate de calcium, un ciment Portland ou un ciment au laitier, ne résiste intrinsèquement à des pH = 1 alors que, d'après les retours terrains, les ciments d'aluminate de calcium offrent une meilleure tenue sur site. Les microorganismes sont donc un paramètre majeur dans le processus de dégradation. Différents essais ont ainsi été mis au point à travers le monde en prenant en général en compte la dernière bactérie impliquée dans ce processus (Acidithiobacillus thiooxidans). Certaines équipes de recherche ont tenté de reproduire un écosystème simplifié en recréant la succession bactérienne impliquée dans les mécanismes de biodétérioration. Ce type d'essai est plus complexe à mettre en place qu'un essai chimique car il fait intervenir des organismes vivants introduisant des facteurs non constants et donc une certaine perte de répétabilité. Ce type d'essai est généralement très long, car il faut attendre que l'écosystème se mette en place. Néanmoins, il conduit toujours à des résultats qui peuvent être confrontés avec ceux obtenus sur site. Après comparaison des différents essais retrouvés dans la littérature, celui qui semble le plus adapté a été mis au point par l'université d'Hambourg. Il s'appuie sur un environnement similaire à ceux retrouvés dans les réseaux d'assainissement et le volume important de la chambre permet de tester un grand nombre d'échantillons en une seule fois dans des conditions homogènes. Pour finir, les essais in situ permettent d'évaluer les paramètres majeurs tels que les microorganismes impliqués, les cinétiques de biodétérioration, les concentrations critiques en éléments chimiques Ces essais permettent également de valider les résultats obtenus en laboratoire et de définir les paramètres importants pour une modélisation optimale des dégradations.

Dans les réseaux d'assainissement, les bétons sont exposés à un environnement très agressif. En effet, les effluents contiennent des composes sulfurés organiques et inorganiques qui peuvent être utilisés par des bactéries sulfato-réductrices pour former du sulfure d'hydrogène. Ce dernier, sous forme gazeuse, se condense sur les parois en béton des réseaux et est oxydé sous la forme d'acide sulfurique par des bactéries sulfo-oxydantes. La dégradation des structures d'assainissement en béton par l'acide sulfurique biogénique est donc caractérisée par des effets combinés de plusieurs mécanismes. Ces mécanismes physico-chimiques peuvent conduire à l'apparition de fissuration du béton et à la corrosion des armatures en acier conduisant à des dommages irréversibles des réseaux d'assainissement. Pour maîtriser ces dégradations, mais aussi pour limiter la formation de sulfure d'hydrogène (qui est un gaz malodorant et très toxique), les gestionnaires ont plusieurs solutions basées sur l'oxygénation des effluents, l'addition de sels ferreux, etc. Quand le béton est dégradé, les solutions consistent à réparer ou à remplacer ce béton par de nouveaux matériaux plus résistants à base cimentaire ou polymère. Toutes ces solutions ne sont toutefois pas toujours totalement efficaces si le processus global de fonctionnement des réseaux d'assainissement n'est pas considéré. Pour répondre aux demandes concernant le choix du matériau adéquat pour un environnement donné et un processus défini, l'objectif de ce travail est d'étudier les mécanismes de biodégradation du béton et de considérer la durabilité à la fois du matériau et de la structure. Des propositions pour de nouvelles solutions limitant les dégradations sont aussi exposées.

Concrete used in sewer systems is exposed to a very aggressive environment. Indeed, the effluents contain organic and inorganic sulfur compounds allowing to be consumed by sulfate-reducing bacteria to form gaseous hydrogen sulfide which condenses on the emerged walls. Then, this last compound is oxidized by sulfur-oxidizing bacteria in sulfuric acid. The study of the bacterial growth medium and the characterization of degraded concrete by the action of the biogenic H2SO4 are carried out by ESEM observations associated with EDS microanalyses. The decrease of concrete properties according to the duration of biodegradation is highlighted by the structural modifications of concrete. These results are completed by liquid phase analysis allowing to perform a chemical assessments of the dissolved species in the solution. Complementary tests such as degraded thickness of the concrete specimen and weight-loss measurements improve the comprehension of phenomena which contribute to the mechanisms of degradation of concretes.