Dans la région de Trois-Rivières (Québec, Canada), plus de 1 000 bâtiments résidentiels et commerciaux montrent de graves problèmes de détérioration du béton. Les problèmes de détérioration sont liés à l'oxydation des sulfures de fer incorporés dans le granulat utilisé pour la confection du béton. Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de la détérioration de béton incorporant des granulats contenant des sulfures de fer, et ce afin de développer une méthodologie pour évaluer efficacement la réactivité potentielle de ce type de granulats. Un examen pétrographique détaillé de carottes de béton extraites de fondations résidentielles montrant différents degré d’endommagement a été réalisé. Le granulat problématique contenant des sulfures de fer a été identifié comme un gabbro à hypersthène incorporant différentes proportions (selon les différentes localisations dans les deux carrières d’origine) de pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite et pentlandite. Les produits de réaction secondaires observés dans les échantillons dégradés comprennent des formes minérales de "rouille", gypse, ettringite et thaumasite. Ces observations ont permis de déterminer qu’en présence d'eau et d'oxygène, la pyrrhotite s’oxyde pour former des oxyhydroxides de fer et de l'acide sulfurique qui provoquent une attaque aux sulfates dans le béton. Tout d'abord, la fiabilité de l'approche chimique proposée dans la norme européenne NF EN 12 620, qui consiste à mesurer la teneur en soufre total (ST, % en masse) dans le granulat pour détecter la présence (ou non) de sulfures de fer, a été évaluée de façon critique. Environ 50% (21/43) des granulats testés, représentant une variété de types de roches/lithologies, a montré une ST > 0,10%, montrant qu'une proportion importante de types de roches ne contient pas une quantité notable de sulfure, qui, pour la plupart d’entre eux, sont susceptibles d'être inoffensifs dans le béton. Ces types de roches/granulats nécessiteraient toutefois d'autres tests pour identifier la présence potentielle de pyrrhotite compte tenu de la limite de ST de 0,10 % proposée dans les normes européennes. Basé sur une revue exhaustive de la littérature et de nombreuses analyses de laboratoire, un test accéléré d’expansion sur barres de mortier divisé en deux phases a ensuite été développé pour reproduire, en laboratoire, les mécanismes de détérioration observés à Trois-Rivières. Le test consiste en un conditionnement de 90 jours à 80°C/80% RH, avec 2 cycles de mouillage de trois heures chacun, par semaine, dans une solution d’hypochlorite de sodium (eau de javel) à 6% (Phase I), suivi d’une période pouvant atteindre 90 jours de conditionnement à 4°C/100 % HR (Phase II). Les granulats ayant un potentiel d'oxydation ont présenté une expansion de 0,10 % au cours de la Phase I, tandis que la formation potentielle de thaumasite est détectée par le regain rapide de l'expansion suivi par la destruction des échantillons durant la Phase II. Un test de consommation d'oxygène a également été modifié à partir d’un test de Drainage Minier Acide, afin d'évaluer quantitativement le potentiel d'oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d'oxygène dans la partie supérieure d'un cylindre fermé contenant une couche de matériau compacté afin de déterminer son potentiel d'oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d'oxydation des granulats comprennent une taille de particule inférieure à 150 μm, saturation à 40 %, un rapport de 10 cm d'épaisseur de granulat par 10 cm de dégagement et trois heures d’essai à 22ᵒC. Les résultats obtenus montrent que le test est capable de discriminer les granulats contenant des sulfures de fer des granulats de contrôle (sans sulfures de fer) avec un seuil limite fixé à 5% d'oxygène consommé. Finalement, un protocole d'évaluation capable d’estimer les effets néfastes potentiels des granulats à béton incorporant des sulfures de fer a été proposé. Le protocole est divisé en 3 grandes phases: (1) mesure de la teneur en soufre total, (2) évaluation de la consommation d'oxygène, et (3) un test accéléré d’expansion sur barres de mortier. Des limites provisoires sont proposées pour chaque phase du protocole, qui doivent être encore validées par la mise à l’essai d'un plus large éventail de granulats. / In the Trois-Rivières area (Quebec, Canada), more than 1 000 houses and commercial buildings are showing serious concrete deterioration problems. The deterioration problems are related to the oxidation of sulfide-bearing aggregates used for concrete manufacturing. This PhD project aims to better understand the mechanisms responsible for the deterioration of concrete incorporating sulfide-bearing aggregates in order to develop a methodology to efficiently evaluate the potential reactivity of such types of aggregates. A detailed petrographic examination of core samples extracted from concrete house foundations showing various degrees of severity was carried out. The problematic aggregate was identified as an hypersthene’s gabbro incorporating various proportions (according to different locations in the two originating quarries) of pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite and pentlandite. Secondary reaction products observed in degraded core samples include “rust” mineral forms, gypsum, ettringite and thaumasite. For those observations, it was concluded that, in presence of water and oxygen, pyrrhotite oxidizes to form iron oxyhydroxides and sulfuric acid that provokes a sulfate attack in concrete. First, the reliability of the chemical approach proposed in the European Standards NF EN 12 620, which consists in the measurement of the total sulfur content (ST, % by mass) in the aggregate to detect the presence (or not) of iron sulfide minerals, was critically evaluated. About 50% (21/43) of the aggregate materials tested, representing a variety of rock types / lithologies, showed a ST > 0.10%, showing that a significant proportion of rock types does contain a noticeable amount of sulfide, which for most of them, are likely to be innocuous in concrete. Such rock types / aggregates would however require further testing to identify the potential presence of pyrrhotite considering the ST limit of 0.10% proposed in European standards. Based on extensive literature reviews and laboratory investigations, a two-phase accelerated mortar bar expansion test was then developed to reproduce, in the laboratory, the deterioration mechanisms observed on site. The test consists in 90 days of storage at 80°C/80% RH, with 2 three-hour wetting cycles per week in a 6% sodium hypochlorite (bleach) solution (Phase I) followed by up to 90 days of storage at 4°C/100% RH (Phase II). Aggregates with oxidation potential presented an expansion over 0.10% during Phase 1, while thaumasite formation potential is detected by rapid regain of expansion followed by destruction of the samples during Phase II. Also, an oxygen consumption test was modified from research carried out in the context of acid rock drainage, to quantitatively assess the sulfide oxidation potential of concrete aggregates. The technique measures the oxygen consumption rate at the top of a closed cylinder containing a layer of compacted material to determine its oxidation potential. Optimized testing parameters include an aggregate particle size inferior to 150 μm at 40% saturation, a ratio of 10 cm of aggregate material thickness for 10 cm headspace and 3 hours testing at 22ᵒC. The results thus obtained showed that the test is able to discriminate the aggregates containing iron sulfide minerals from the control aggregates with a threshold limit fixed at 5% oxygen consumed. Finally, an assessment protocol was proposed to evaluate the potential deleterious effects of iron sulfide bearing aggregates when used in concrete. The protocol is divided into 3 major phases: (1) total sulfur content measurement, (2) oxygen consumption evaluation, and (3) an accelerated mortar bar expansion test. Tentative limits are proposed for each phase of the protocol, which still need to be validated through the testing of a wider range of aggregates.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les gisements aurifères orogéniques, lesquels représentent la principale source d'or au Canada, sont relativement bien documentés, mais la source des fluides hydrothermaux aurifères dans ces gisements reste équivoque. Le district aurifère de Meliadine (MGD), situé dans la province du Churchill occidental au Nunavut, renferme approximativement 9 Moz (~280 tonnes) d'or (production historique, réserves prouvée et probables, et ressources mesurées, indiquées, et inférées), sous la forme d'une série de gisements situés dans la ceinture de roches vertes de Rankin Inlet (Tiriginaq, Wesmeg, Normeg et Pump). Ces gisements sont spatialement associés à la faille Pyke et ses subsidiaires, formant des corridors de veines de quartz-carbonate subparallèles à travers des unités géologiques d'âge archéen. Ces formations incluent des formations de fer, des roches métasédimentaires clastiques et des roches métavolcaniques. Les zones minéralisées sont de style veines et de style remplacement des roches hôtes en bordure des veines. Les zones de remplacement sont encaissées dans les lithologies riches en fer sous la forme d'or associé à de multiples générations de sulfures. La présente étude documente la signature multi-isotopique du soufre (δ$^{34}$SS, Δ$^{33}$SS et Δ$^{36}$S) des sulfures associés à l'or dans les veines d'or orogéniques et les zones de remplacement associées, afin de caractériser la source et tracer l'évolution des fluides aurifères et de mieux comprendre les contrôles sur la précipitation de l'or. La séquence paragénésique établie décrit la génération 1 de sulfures comme correspondant à la pyrrhotite±(pyrite-chalcopyrite) précoce qui n'est pas associée à l'or, alors que la génération 2 est associée à la sulfuration des unités riches en fer et se compose d'arsénopyrite-pyrrhotite±(pyrite-galène-chalcopyrite) associée à l'or, subdivisée en 2a et 2b. L'aspy2a est riche en inclusions, alors que la génération 2b est pauvre en inclusions et est associée à la déformation et à la recristallisation tardive des sulfures 2a le long de fractures riches en Au libre, Pb, Te et Bi, et aux halos de recristallisation enrichis en As et Se et appauvris en Sb. Des analyses multi-isotopiques de soufre ($^{32}$SS, $^{33}$SS, $^{34}$SS et $^{36}$S) montrent que le Δ$^{33}$SS=0.3 ‰ ± 0.2 et le Δ$^{36}$S=-0.7 ± 0.6 ‰ sont homogènes à travers les générations de sulfures. Le δ$^{34}$SS de la génération 1 varie de 1.4 ‰ à 2.4 ‰, de 1.7 ‰ à 5.5 ‰ pour la génération 2a et de -0.5 ‰ à 5.6 ‰ pour la génération 2b. En se basant sur la concentration de l'or le long de fractures de l'aspy2a, leur abondance d'inclusions, ainsi que sur les enrichissements et appauvrissements systématiques en Sb, Se et As, il apparait que les sulfures de génération 2a ont été partiellement dissous par réactions couplées de dissolution-reprécipitation, libérant et transportant l'Au, le Pb, le Bi et le Te sous forme de produits de fusion (« melts ») d'éléments chalcophiles à bas point de fusion et/ou sous forme de colloïdes, pour reprécipiter les sulfures de génération 2b avec l'or libre et les métaux associés le long de fractures et d'auréoles de recristallisation. Le fractionnement indépendant de la masse du soufre (S-MIF) est présent et constant dans tous les échantillons et indique clairement une source unique et une contribution de soufre métasédimentaire archéen aux fluides aurifères responsables de la formation des gisements du MGD au Paléoprotérozoïque, soit environ 800 millions d'années après la formation des roches hôtes. Ce nouvel ensemble de données montre que les réactions fluides-roches, représentées par les multiples épisodes de remobilisation et de reprécipitation ont été importantes pour la formation des zones minéralisées, et que la dévolatilisation des métasédiments et des métavolcanites en profondeur pendant le métamorphisme prograde peut jouer un rôle important dans l'approvisionnement en soufre, élément clé pour le transport de l'or à l'échelle de la croûte terrestre.

Dans la région de Trois-Rivières, de nombreuses résidences ont été construites sur une fondation de béton incorporant des granulats riches en sulfures de fer, notamment de la pyrrhotite et de la pyrite. Plus de trois cents échantillons ont été prélevés au sein de seize fondations de maisons montrant différents degrés d’endommagement, de très faible à très élevé, afin de les analyser et de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes en cause. Plusieurs types d’essais pétrographiques, mécaniques et chimiques ont ainsi été effectués sur ces échantillons, tant sur le terrain qu’en laboratoire. Le suivi de l’expansion et du développement de la fissuration sur des blocs prélevés au sein de fondations résidentielles a permis de démontrer le potentiel résiduel d’endommagement du béton lorsque soumis aux conditions climatiques naturelles. De plus, les résultats des travaux effectués sur les blocs suggèrent que la méthode de l’indice de fissuration est un bon outil du suivi l’évolution de l’endommagement du béton. Finalement, les résultats des travaux effectués en laboratoire suggèrent que le Damage Rating Index et le Stiffness Damage Test ont la capacité de quantifier l’état d’endommagement des bétons détériorés fabriqués avec des granulats incorporant des sulfures de fer. / In the Trois-Rivières area, many houses were built on a concrete foundation made with aggregates containing large amounts of iron sulfides, such as pyrrhotite and pyrite. To allow for a better understanding of the oxidation mechanism, more than three hundred samples were extracted from sixteen foundations, showing different degrees of damage. A variety of petrographic, mechanical and chemical tests were conducted on these samples, in the laboratory as well as in the field. The monitoring of the development of expansion and cracking in the concrete blocks taken from residential foundations demonstrated a potential for residual concrete deterioration when exposed to natural environmental conditions. Furthermore, results of experiments performed on the blocks suggest that the cracking index method is a good indicator of the evolution of damage. Finally, laboratory testing suggests that the Damage Rating Index and the Stiffness Damage Test can potentially quantify damage suffered by deteriorated concrete made with aggregates incorporating iron sulfide minerals.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 mars 2024) / Dans la région de Trois-Rivières au Québec, environ 4 000 édifices résidentiels et commerciaux ont développé d'importants indices d'endommagement associés à la présence de sulfures de fer (notamment de la pyrrhotite et de la pyrite) dans les particules du gros granulat utilisé dans la fabrication du béton. Cette détérioration est due à l'oxydation des sulfures de fer en particulier la pyrrhotite qui génèrent des nouveaux produits plus volumineux. Ces derniers entraînent le gonflement, la fissuration et même la désagrégation progressive du béton. Ce projet consiste à étudier une série d'échantillons de granulats à des teneurs en soufre total (S$_\textup{T}$) contrôlées pour apprécier l'impact de la proportion des sulfures de fer et tenter d'établir, par l'entremise de l'essai de consommation d'oxygène et de l'essai d'expansion sur barres de mortier, un seuil critique au-delà duquel la durabilité des infrastructures pourra potentiellement être affectée pour le granulat étudié. Des analyses chimiques ont été réalisées pour quantifier les quantités de S$_\textup{T}$ des échantillons provenant de la carrière Maskimo (MSK 0,2 et MSK 0,8) et sur le granulat de référence PKA (granulat non réactif). Ces granulats ont été mélangés par la suite jusqu'à produire des échantillons à différentes concentrations de ST (0,10 %, 0,15 %, 0,25 %, 0,50 % et 0,75 %). Le comportement nuisible potentiel de ces mélanges a ensuite été évalué par l'entremise de l'essai d'expansion sur barres de mortier et l'essai de consommation d'oxygène. L'essai de consommation d'oxygène permet d'évaluer quantitativement le potentiel d'oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d'oxygène dans la partie supérieure d'un cylindre fermé contenant une couche de matériau fin compacté afin de déterminer son potentiel d'oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d'oxydation des granulats dans cet essai comprennent une taille de particules inférieure à 150 μm (50 % 0-75 μm et 50 % 75-150 μm), une saturation de 40 %, une couche de 10 cm d'épaisseur de granulats compactés et un dégagement de 10 cm dans la partie supérieure du cylindre. La durée est de trois heures après un temps de stabilisation de 30 minutes, le tout à 22 °C. L'essai d'expansion sur barres de mortier permet de suivre l'expansion des barres fabriquées avec les granulats à différentes concentrations en S$_\textup{T}$. L'essai consiste en un conditionnement de 90 jours à 80 °C/80 % humidité relative, avec deux cycles de mouillage/séchage par semaine ; un cycle de mouillage de trois heures dans une solution d'eau de javel à 6 %, et un cycle de séchage de trois jours (Phase I), suivi d'une période pouvant atteindre 90 jours et plus de conditionnement à 4 °C/100 % humidité relative (HR) (Phase II). Les deux périodes (3 heures) hebdomadaires de trempages en solution d'eau de javel à 6 % sont maintenues durant la deuxième phase de l'essai. Une analyse pétrographique (méthode de la calculette) et une analyse chimique semi-quantitative (microfluorescence-X) ont été effectuées sur des plaques polies fabriquées à partir des granulats provenant de la carrière Maskimo et de la carrière PKA pour distinguer et quantifier les sulfures de fer présents dans les particules du gros granulat. Les résultats des travaux effectués ont montré que la teneur en S$_\textup{T}$ contribue à l'augmentation du potentiel d'oxydation des mélanges testés mais elle n'explique pas à elle seule le phénomène de détérioration. La teneur en pyrrhotite est largement responsable du comportement problématique des granulats MSK étudiés. L'essai de consommation d'oxygène et l'essai d'expansion sur barres de mortier ont la capacité de refléter l'impact de la proportion des sulfures de fer, notamment la pyrrhotite, sur la détérioration du béton. Cependant, selon les travaux réalisés dans le cadre de cette étude, ces essais ne permettent pas pour le moment de déterminer précisément les teneurs seuils en pyrrhotite qu'il ne faut pas dépasser dans les granulats à béton. Une étude plus approfondie devra être effectuée sur une plus grande variété d'échantillons. Finalement, la méthode de μXRF permet de déterminer les quantités de sulfures de fer présents dans les granulats testés, même ceux qui ont une faible teneur. Par contre, la méthode pétrographique de la calculette n'a pas permis une quantification fiable des proportions des différents sulfures de fer présents dans les granulats étudiés et reste toujours subjective car elle dépend de l'expérience du pétrographe qui fait les identifications et estime visuellement les teneurs en sulfures.