Performance of sewer pipe concrete mixtures with portland and calcium aluminate cements subject to mineral and biogenic acid attack

The paper reports on the performance of a series of sewer pipe concrete mixtures and cementitious lining mixtures in acid environments. Binder types based on ordinary portland cement (OPC) and calcium aluminate cement (CAC) were used, with both acid-soluble and acid-insoluble aggregates and various supplementary cementitious materials (SCM). One series of tests subjected the mixtures to pure mineral acid (hydrochloric acid, pH = 1), using a specially designed dynamic test rig. The other series of tests involved monitoring specimens placed in a live sewer under very aggressive conditions induced by acid-generating bacteria. Under mineral acid attack on concretes with conventional dolomite aggregates, OPC/silica fume concretes displayed best performance, attributed to their densified microstructure coupled with substantially improved ITZ. CAC concretes with dolomite aggregate did not perform any better than similar OPC specimens under these conditions, primarily because of their higher porosity. However, with concretes using synthetic alagTM aggregates in mineral acid testing, CAC/alagTM mixtures performed exceptionally well due to their homogeneous microstructure, inferred absence of an ITZ, and slower dissolution and finer size of alagTM aggregate particles. The dynamic acid test was able to reveal differences in physical and chemical interactions between constituents in concrete mixes. Under biogenic acid conditions in the sewer, CAC concretes clearly outperformed OPC concretes. This is ascribed to the ability of CAC to stifle the metabolism of the acid-generating bacteria, thereby reducing acid generation. Thus the effects of neutralisation capacity and stifling of bacterial activity need to be distinguished in designing concrete mixtures to provide good acid resistance. Relative rates of dissolution of binder and aggregates are also important in overall performance, with uniform rates preferable in order to avoid aggregate fallout.RésuméCet article présente des séries d’essais visant à évaluer la résistance à la corrosion acide de différents bétons et mortiers de protection utilisés pour les tuyaux d’assainissement. Les types de liant sont du Ciment Portland (OPC) et du ciment d’aluminate de calcium (CAC), combinés à des granulats soit solubles dans l’acide soit insolubles, avec ou sans ajouts minéraux (SCM). Dans une première série de tests, les bétons sont soumis à un acide minéral pur (acide chlorydrique, pH = 1) à l’aide d’un montage dynamique spécialement conçu pour ce programme. Une deuxième série d’essais consiste à suivre des éprouvettes exposées dans un réseau d’égout en service, dans des conditions très sévères de corrosion biogénique induites par les bactéries produisant de l’acide. Soumises à la corrosion par l’acide minéral, les éprouvettes de béton OPC/fumée de silice avec des granulats dolomitiques ont montré la meilleure performance, probablement en raison d’une microstructure plus dense et d’une auréole de transition (ITZ) nettement améliorée. Les bétons de CAC avec granulats dolomitiques n’ont pas présenté une meilleure performance par rapport aux bétons de Portland dans cet essai, probablement en raison d’une plus grande porosité. A l’inverse, les bétons de CAC/granulats ALAGTM ont exceptionnellement bien résisté au test à l’acide minéral, en raison à l’homogénéité de la microstructure, de l’absence d’auréole de transition, d’une dissolution plus lente et de la taille réduite des particules de granulats ALAGTM. Le test dynamique de résistance à la corrosion acide a permis de mettre en évidence les différences dans les interactions physiques et chimiques entre les constituants des bétons. Dans les conditions de corrosion acide d’origine biogénique en réseau d’assainissement, les bétons de CAC ont clairement mieux tenu que les bétons d’OPC. Cela est attribué à la capacité des CAC de freiner le métabolisme des bactéries produisant de l’acide, réduisant ainsi la production d’acide. En conséquence, les paramètres de capacité de neutralisation et de réduction de l’activité biologique doivent être distingués dans la conception d’une formule de bétons pour obtenir une bonne résistance à la corrosion acide. Les taux relatifs de dissolution du liant et des granulats sont aussi importants dans la performance globale, des taux similaires étant préférable pour éviter le déchaussement des granulats.