Soutenance de thèse de BOU SAAD Maria
Titre de thèse
Caractérisation organique des fumées émises par des matériaux routiers incorporant des agrégats d'enrobés recyclés
Organic characterization of smoke emitted by road materials incorporating recycled asphalt aggregates
Résumé de la thèse
L'augmentation de l'incorporation d'agrégats d'enrobés recyclés (AE) dans la fabrication des matériaux routiers constitue un enjeu essentiel de la transition vers une économie circulaire. Cependant, cela soulève des questions quant aux émissions générées lors de la production de ces enrobés. Plusieurs études ont confirmé la présence d'hydrocarbures polycycliques aromatiques (HAP) ainsi que de leurs dérivés alkylés, nitrés, oxygénés, soufrés et azotés dans les fumées émises. Ces dérivés sont souvent plus toxiques et plus persistants que les composés parents. Toutefois leur caractérisation reste limitée en raison de leur faible concentration, de leur présence dans des matrices complexes et des contraintes analytiques associées. Dans ce contexte, ce travail a eu pour objectif de mieux caractériser la composition chimique des fumées émises par des enrobés routiers incorporant des AE, et d'évaluer l'influence des conditions de production. Une méthode hors ligne à haute sensibilité, basée sur l'UHPLC couplée à la spectrométrie de masse haute résolution (UHPLC-HRMS Orbitrap), a été développée et validée pour l'analyse des dérivés de HAP nitrés, azotés et oxygénés. Elle a ensuite été appliquée à des échantillons réels de fumées, où les différents composés ciblés ont été identifiés et quantifiés. En parallèle, un dispositif expérimental a été mis en œuvre pour la génération d'étalons gazeux des HAP et de leurs dérivés afin d'évaluer la capacité du PTR-ToF-MS à mesurer ces composés en phase gazeuse et à étudier leur comportement dynamique. Une campagne expérimentale a ensuite été menée sur un prototype simulant les conditions de production des enrobés, au cours de laquelle différentes formulations et paramètres ont été testés afin d'évaluer l'effet de la température de fabrication, de l'incorporation d'AE et du niveau de contamination des AE utilisés sur les émissions. Les résultats obtenus à l'aide du PTR-ToF-MS et du SMPS-CPC montrent une augmentation des émissions de HAP et de leurs dérivés suite à une élévation de 20 °C de la température et à une incorporation de 50 % d'AE, avec des niveaux plus élevés en présence d'AE plus contaminés. On observe également une augmentation de la taille des particules émises en présence de matériaux recyclés. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des émissions d'enrobés routiers incorporant des AE et constitue une base pour de futures évaluations des risques sanitaires associés, afin d'améliorer les pratiques de recyclage dans le secteur routier.
Thesis resume
The increasing incorporation of reclaimed asphalt pavement (RAP) in the production of road materials is a key challenge in the transition toward a circular economy. However, this raises questions about the emissions generated during asphalt production. Several studies have confirmed the presence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), as well as their alkylated, nitrated, oxygenated, sulfur-containing, and nitrogen-containing derivatives in the emitted fumes. These derivatives are often more toxic and more persistent than their parent compound. However, their characterization remains limited due to their low-level concentrations, their occurrence in complex matrices, and associated analytical constraints. In this context, this work aimed to improve the characterization of the chemical composition of fumes emitted by road materials incorporating RAP, and to evaluate the influence of production conditions on these emissions. A highly sensitive offline methodology, based on ultra-high-performance liquid chromatography coupled with high-resolution mass spectrometry (UHPLC-HRMS Orbitrap), was developed and validated for the analysis of nitrated, oxygenated, and nitrogen-containing PAH derivatives. The method was then applied to real asphalt fume samples, in which the targeted compounds were identified and quantified. In parallel, an experimental setup was implemented to generate gaseous standards of PAHs and their derivatives to evaluate the PTR-ToF-MS ability to measure these compounds in the gas phase and to analyze their dynamic behavior. An experimental campaign was then conducted using a prototype simulating asphalt production conditions, during which different formulations and parameters were tested to assess the effects of production temperature, RAP incorporation, and the RAP contamination level on emissions. The results obtained using the PTR-ToF-MS and the SMPS-CPC show an increase in the emissions of PAHs and their derivatives following a 20 °C increase in production temperature and the incorporation of 50 % RAP, with higher levels in the presence of more contaminated RAP. An increase in particle size was also observed in the presence of recycled materials. This work contributes to a better understanding of emissions from road asphalt mixtures incorporating RAP. It serves as a basis for future health risk assessments to improve recycling practices in the road construction sector.