Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Analyse chimique des produits bitumineux incorporant des recyclés de la route : Relation entre les propriétés environnementales des matériaux solides et leurs fumées émises à l’air

Laboratoire principal - Référent principal MAST - MIT  -  GAUDEFROY Vincent      tél. : +33 240845672

Directeur du laboratoire principal SEDRAN Thierry  -

Spécialité de la thèse Physico-Chimie des matériaux, Chimie Analytique, Génie Civil

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE DE NANTES

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu GAUDEFROY Vincent  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - MIT

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte et problématique
Les agrégats d’enrobés issus du fraisage ou de la démolition d’enrobés bitumineux recèlent un potentiel de propriétés techniques qu’il est important de valoriser. Dans un contexte d’économie circulaire fort, leur réutilisation pour la fabrication de nouveaux enrobés représente une démarche environnementale attractive qui permet de préserver les ressources naturelles (bitume et granulats de carrière) tout en diminuant la quantité de produit. Cependant, ces agrégats d’enrobés sont soumis à la réglementation sur la gestion des déchets qui définit des seuils de teneurs en Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) à la fois pour le recyclage des enrobés et pour leur mise en décharge dans des installations adaptées. L’arrêté du 12 décembre 2014 énonce les critères d’admission de produits en installation de stockage de déchets inertes (ISDI) et fixe un seuil d’acceptabilité à 50 mg de HAP totaux / kg de déchet sec (MS) sans précision sur la nature des HAP. En dessous de cette valeur limite le recyclage à chaud est autorisé. En effet, c’est lors du recyclage à chaud que la problématique des HAP se pose. Lors de la fabrication en température et sous agitation, ces composés organiques vont pouvoir s’extraire de la matrice bitumineuse et sont libérés dans l’air sous forme de vapeurs et/ou d’aérosols. A ce stade ils représentent potentiellement un risque pour la santé des travailleurs (env 4000 personnes en France) qui sont exposés à ces fumées. Certains de ces HAP, comme le Benzo(a)pyrène sont classés par le Centre International de Recherche contre le Cancer (CIRC) comme cancérogènes avérés pour l’homme.
Les HAP usuellement mesurés sont les 16 composés référencés par l’Agence de Protection Environnementale américaines (l’US-EPA) comme étant des polluants prioritaires pour l’homme et l’environnement. Cependant, les résultats obtenus dans le cadre du projet de recherche ANSES-2014 CRD 03 « Produits routiers bitumineux : vers une nouvelle méthodologie d’évaluation des matériaux et de leurs émissions » piloté par l’IFSTTAR en partenariat avec le CEREMA, ont montré qu’il existe de nouvelles classes de composés aromatiques pouvant être également utilisées comme traceurs de référence dans les fumées de bitume. Ce projet a permis de développer une méthodologie analytique commune basée sur des essais croisés menés entre les différents partenaires impliqués afin de détecter et de quantifier ces nouveaux composés organiques dans les fumées de bitume.
Fort de cette expérience, nous cherchons à capitaliser sur ces acquis et élargir nos connaissances vers un plus grand panel de matériaux bitumineux avec notamment les matériaux pollués au HAP issus du recyclage d’anciennes chaussées afin de mieux appréhender la protection des travailleurs aux risques des travaux routiers.
Ce travail de thèse s’attache à identifier et quantifier la présence de ces nouveaux traceurs dans la matrice bitumineuse des matériaux étudiés ainsi que dans leurs émissions, de comprendre les mécanismes de leur passage en phase vapeur et de réévaluer en laboratoire les conditions propices à leur génération du point de vue des pratiques routières.

Objectifs de la thèse
Le travail de recherche vise à caractériser les HAP dans les matériaux bitumineux ainsi que sur leurs émissions auxquelles sont exposés les travailleurs du domaine de la construction et de l’entretien des routes. L’objectif est d’étudier, à l’échelle du laboratoire, les relations qui pourraient exister entre la composition des matériaux bitumineux et l’impact des procédés de mise en œuvre sur la répartition et la quantification des HAP au sein de la matrice solide bitumineuse ainsi qu’au sein des émissions générées. Le projet proposé, qui associe l’Equipe-Projet de recherche DIMA du CEREMA basée à Aix-en-Provence et le Laboratoire Matériaux pour les Infrastructures de Transport de l’IFSTTAR à Nantes, vise à :
• élargir la caractérisation analytique des produits routiers en recherchant directement dans la matrice bitumineuse extraite des matériaux étudiés, un certain nombre de nouveaux traceurs organiques en complément des composés organiques usuels de référence. Le nombre de nouveaux traceurs pouvant être identifiés et quantifiés sera fonction de la sensibilité de la Chromatographie Liquide à haute performance (HPLC) disponible au CEREMA.
• poursuivre le développement de travaux initiés dans le projet de recherche financé par l’ANSES en étudiant les fumées d’un plus grand panel de liants bitumineux (type de bitume, présence de goudron dans les agrégats),
• identifier les paramètres influençant la teneur globale et la distribution relative des HAP en fonction de leur masse moléculaire,
• mettre en relation la composition des matériaux solides avec leur potentiel émissif dans l’air selon les procédés d’enrobage de mélanges granulaires réels mis en œuvre sur chaussées (température de fabrication, additif pour enrobés tièdes, agent régénérant pour le recyclage…),

Compétences recherchées
Les disciplines principales abordées par le(a) candidat(e) sont la physico-chimie des matériaux et la chimie analytique. Une expérience dans le domaine de la chimie analytique par des techniques HPLC (UV ou fluo) et/ou GC/MS serait indispensable. Une valorisation des travaux par la publication d’articles scientifiques et la participation à au moins une conférence internationale est attendue.

Encadrement
L’encadrement du travail sera assuré par A. Pévère (CR CEREMA) et V. Gaudefroy (DR IFSTTAR). Durant le travail de thèse, le (la) doctorant(e) repartira son temps entre le Laboratoire de Chimie du CEREMA d’Aix-en-Provence et le Laboratoire Matériaux pour les Infrastructures de Transport de l’IFSTTAR basé à Nantes. Des déplacements ponctuels seront à effectuer à l’IFSTTAR Marne La Vallée / Université Gustave Eiffel lui donnant accès à différents dispositifs expérimentaux complémentaires.

Références bibliographiques
Cautreels W, Cauwenberghe K, Guzman LA (1977). Sci Total Environ, 8:79–88.
CICAD59 (2004), Concise International Chemical Assessment Document 59: Asphalt (Bitumen), ISBN 92 4 153059 6, ISSN 1020-6167, World Health Organization
Chen HY, Preston MR (2004b). Anal Chim Acta, 501:71–78.
DFG (2011). The MAK Collection for Occupational Health and Safety, Part III: Air Monitoring Methods, Bitumen (vapour and aerosol), vol 12, Wiley-VHC, Weinheim, pp 37-47.
Enell A., Quinn A., McNally C., Huzlik J., Wik O., Licbinsky R., Gaudefroy V. & Mouillet V. 2012. “Guide for environmental characterization of Reclaimed Asphalts”, Re-Road deliverable D1.6, http://re-road.fehrl.org/index.php.
Gaudefroy V., Viranaiken V., Paranhos R., Jullien A., de La Roche C., RMPD, 2010, Vol. 11/1, pp. 83-100.
Hugener M, Emmenegger L, Mattrel P (2010). Asphalt Pavements and Environment, 29-46.
Huynh CK, Vu-Duc T, Deygout F et al. (2007). Polycyclic Aromatic Compounds, 27:107–121
Kriech AJ, Emmel C, Osborn LV, Breuer D, Redman AP, Hoeber D, Bochmann F and Ruehl R (2010). J of Occup and Environ Hyg, 7: 712–725
Mouillet V., T. Gabet, M. Wayman, N. Piérard, A. Vanelstraete, K. Mollenhauer, A. Enell, R. Licbinsky, C. McNally, C. Carlsson, V. Gaudefroy, V. Adame, Déliverable REROAD 1.1: State of the art on existing laboratory methods (sampling, characterization) linked to Reclaimed Asphalts study”. Private report, Re-Road, Grant SCP7-GA-2008-218747. Avril 2010 ; http://re-road.fehrl.org/
NIOSH (1984) NIOSH manual of analytical methods, 3rd ed. Cincinnati, OH, US Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control, National Institute for Occupational Safety and Health (DHHS (NIOSH) 84-100).
NIOSH (2000). Hazard Review - Health Effects of Occupational Exposure to Asphalt. Cincinnati, OH: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control, National Institute for Occupational Safety and Health, DHHS (NIOSH), Publication No. 2001–110.
OFEP (1997). Déchets : Directive pour la valorisation des déchets de chantier minéraux.
Vu-Duc T, Huynh CK, Binet S (2007). J Occup Environ Hyg, 4 S1;245–248

Mots-clefs: Matériaux bitumineux, composés aromatiques polycycliques, économie circulaire.

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - MIT - GAUDEFROY Vincent tél. : +33 240845672
Directeur du laboratoire principal	SEDRAN Thierry -
Spécialité de la thèse	Physico-Chimie des matériaux, Chimie Analytique, Génie Civil
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE DE NANTES
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	GAUDEFROY Vincent - Université Gustave Eiffel - MAST - MIT
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte et problématique Les agrégats d’enrobés issus du fraisage ou de la démolition d’enrobés bitumineux recèlent un potentiel de propriétés techniques qu’il est important de valoriser. Dans un contexte d’économie circulaire fort, leur réutilisation pour la fabrication de nouveaux enrobés représente une démarche environnementale attractive qui permet de préserver les ressources naturelles (bitume et granulats de carrière) tout en diminuant la quantité de produit. Cependant, ces agrégats d’enrobés sont soumis à la réglementation sur la gestion des déchets qui définit des seuils de teneurs en Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) à la fois pour le recyclage des enrobés et pour leur mise en décharge dans des installations adaptées. L’arrêté du 12 décembre 2014 énonce les critères d’admission de produits en installation de stockage de déchets inertes (ISDI) et fixe un seuil d’acceptabilité à 50 mg de HAP totaux / kg de déchet sec (MS) sans précision sur la nature des HAP. En dessous de cette valeur limite le recyclage à chaud est autorisé. En effet, c’est lors du recyclage à chaud que la problématique des HAP se pose. Lors de la fabrication en température et sous agitation, ces composés organiques vont pouvoir s’extraire de la matrice bitumineuse et sont libérés dans l’air sous forme de vapeurs et/ou d’aérosols. A ce stade ils représentent potentiellement un risque pour la santé des travailleurs (env 4000 personnes en France) qui sont exposés à ces fumées. Certains de ces HAP, comme le Benzo(a)pyrène sont classés par le Centre International de Recherche contre le Cancer (CIRC) comme cancérogènes avérés pour l’homme. Les HAP usuellement mesurés sont les 16 composés référencés par l’Agence de Protection Environnementale américaines (l’US-EPA) comme étant des polluants prioritaires pour l’homme et l’environnement. Cependant, les résultats obtenus dans le cadre du projet de recherche ANSES-2014 CRD 03 « Produits routiers bitumineux : vers une nouvelle méthodologie d’évaluation des matériaux et de leurs émissions » piloté par l’IFSTTAR en partenariat avec le CEREMA, ont montré qu’il existe de nouvelles classes de composés aromatiques pouvant être également utilisées comme traceurs de référence dans les fumées de bitume. Ce projet a permis de développer une méthodologie analytique commune basée sur des essais croisés menés entre les différents partenaires impliqués afin de détecter et de quantifier ces nouveaux composés organiques dans les fumées de bitume. Fort de cette expérience, nous cherchons à capitaliser sur ces acquis et élargir nos connaissances vers un plus grand panel de matériaux bitumineux avec notamment les matériaux pollués au HAP issus du recyclage d’anciennes chaussées afin de mieux appréhender la protection des travailleurs aux risques des travaux routiers. Ce travail de thèse s’attache à identifier et quantifier la présence de ces nouveaux traceurs dans la matrice bitumineuse des matériaux étudiés ainsi que dans leurs émissions, de comprendre les mécanismes de leur passage en phase vapeur et de réévaluer en laboratoire les conditions propices à leur génération du point de vue des pratiques routières. Objectifs de la thèse Le travail de recherche vise à caractériser les HAP dans les matériaux bitumineux ainsi que sur leurs émissions auxquelles sont exposés les travailleurs du domaine de la construction et de l’entretien des routes. L’objectif est d’étudier, à l’échelle du laboratoire, les relations qui pourraient exister entre la composition des matériaux bitumineux et l’impact des procédés de mise en œuvre sur la répartition et la quantification des HAP au sein de la matrice solide bitumineuse ainsi qu’au sein des émissions générées. Le projet proposé, qui associe l’Equipe-Projet de recherche DIMA du CEREMA basée à Aix-en-Provence et le Laboratoire Matériaux pour les Infrastructures de Transport de l’IFSTTAR à Nantes, vise à : • élargir la caractérisation analytique des produits routiers en recherchant directement dans la matrice bitumineuse extraite des matériaux étudiés, un certain nombre de nouveaux traceurs organiques en complément des composés organiques usuels de référence. Le nombre de nouveaux traceurs pouvant être identifiés et quantifiés sera fonction de la sensibilité de la Chromatographie Liquide à haute performance (HPLC) disponible au CEREMA. • poursuivre le développement de travaux initiés dans le projet de recherche financé par l’ANSES en étudiant les fumées d’un plus grand panel de liants bitumineux (type de bitume, présence de goudron dans les agrégats), • identifier les paramètres influençant la teneur globale et la distribution relative des HAP en fonction de leur masse moléculaire, • mettre en relation la composition des matériaux solides avec leur potentiel émissif dans l’air selon les procédés d’enrobage de mélanges granulaires réels mis en œuvre sur chaussées (température de fabrication, additif pour enrobés tièdes, agent régénérant pour le recyclage…), Compétences recherchées Les disciplines principales abordées par le(a) candidat(e) sont la physico-chimie des matériaux et la chimie analytique. Une expérience dans le domaine de la chimie analytique par des techniques HPLC (UV ou fluo) et/ou GC/MS serait indispensable. Une valorisation des travaux par la publication d’articles scientifiques et la participation à au moins une conférence internationale est attendue. Encadrement L’encadrement du travail sera assuré par A. Pévère (CR CEREMA) et V. Gaudefroy (DR IFSTTAR). Durant le travail de thèse, le (la) doctorant(e) repartira son temps entre le Laboratoire de Chimie du CEREMA d’Aix-en-Provence et le Laboratoire Matériaux pour les Infrastructures de Transport de l’IFSTTAR basé à Nantes. Des déplacements ponctuels seront à effectuer à l’IFSTTAR Marne La Vallée / Université Gustave Eiffel lui donnant accès à différents dispositifs expérimentaux complémentaires. Références bibliographiques Cautreels W, Cauwenberghe K, Guzman LA (1977). Sci Total Environ, 8:79–88. CICAD59 (2004), Concise International Chemical Assessment Document 59: Asphalt (Bitumen), ISBN 92 4 153059 6, ISSN 1020-6167, World Health Organization Chen HY, Preston MR (2004b). Anal Chim Acta, 501:71–78. DFG (2011). The MAK Collection for Occupational Health and Safety, Part III: Air Monitoring Methods, Bitumen (vapour and aerosol), vol 12, Wiley-VHC, Weinheim, pp 37-47. Enell A., Quinn A., McNally C., Huzlik J., Wik O., Licbinsky R., Gaudefroy V. & Mouillet V. 2012. “Guide for environmental characterization of Reclaimed Asphalts”, Re-Road deliverable D1.6, http://re-road.fehrl.org/index.php. Gaudefroy V., Viranaiken V., Paranhos R., Jullien A., de La Roche C., RMPD, 2010, Vol. 11/1, pp. 83-100. Hugener M, Emmenegger L, Mattrel P (2010). Asphalt Pavements and Environment, 29-46. Huynh CK, Vu-Duc T, Deygout F et al. (2007). Polycyclic Aromatic Compounds, 27:107–121 Kriech AJ, Emmel C, Osborn LV, Breuer D, Redman AP, Hoeber D, Bochmann F and Ruehl R (2010). J of Occup and Environ Hyg, 7: 712–725 Mouillet V., T. Gabet, M. Wayman, N. Piérard, A. Vanelstraete, K. Mollenhauer, A. Enell, R. Licbinsky, C. McNally, C. Carlsson, V. Gaudefroy, V. Adame, Déliverable REROAD 1.1: State of the art on existing laboratory methods (sampling, characterization) linked to Reclaimed Asphalts study”. Private report, Re-Road, Grant SCP7-GA-2008-218747. Avril 2010 ; http://re-road.fehrl.org/ NIOSH (1984) NIOSH manual of analytical methods, 3rd ed. Cincinnati, OH, US Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control, National Institute for Occupational Safety and Health (DHHS (NIOSH) 84-100). NIOSH (2000). Hazard Review - Health Effects of Occupational Exposure to Asphalt. Cincinnati, OH: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control, National Institute for Occupational Safety and Health, DHHS (NIOSH), Publication No. 2001–110. OFEP (1997). Déchets : Directive pour la valorisation des déchets de chantier minéraux. Vu-Duc T, Huynh CK, Binet S (2007). J Occup Environ Hyg, 4 S1;245–248
Mots-clefs:	Matériaux bitumineux, composés aromatiques polycycliques, économie circulaire.

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