Le béton est un matériau bon marché, facile à mettre en œuvre et durable conduisant à son utilisation dans la construction de bâtiments, d’ouvrages d’art et d’installations industrielles associées à une multitude de conditions environnementales.
Toutefois, certaines conditions environnementales peuvent conduire à une altération du béton réduisant ainsi sa durée de vie. Ainsi, la norme NF EN 206/CN (2014) identifie la composition minimale d’un béton pour les principaux environnements de service. Pour des environnements plus spécifiques comme les réseaux d’assainissement, il est nécessaire de recourir à une stratégie de recherche et développement adaptée pour tenir compte de l'activité microbienne qui peut conduite à une forte biodétériorarion du béton.
C
ette démarche est souvent réalisée à posteriori car les mécanismes d’altération du béton peuvent n'être que partiellement connus ou anticipés lors de l’utilisa- tion du béton pour une nouvelle appli- cation ou un nouvel environnement.L’utilisation du béton dans les réseaux d’assainissement illustre bien ce cas.
En effet, il s’agit du premier environ- nement dans lequel Parker a mis en évi- dence en 1945 [Parker-1945], que les micro-organismes pouvaient conduire à une forte altération du béton. Ainsi, Parker, nomma la bactérie qu’il jugea responsable de cette biodétérioration du béton, Thiobacillus concretivorus, en faisant donc une analogie avec la
« consommation » du béton (concrete en anglais) par les bactéries. Cette espèce a maintenant été reclassée en tant que Acidithiobacillus thiooxidans qui était connue depuis 1922 [Kelly-2000].
L’appartenance de cette bactérie au genre Thiobacillus indiquait également la principale origine du mécanisme physi- co-chimique conduisant à l’altération du béton, puisque les bactéries sulfo-oxy- dantes produisent de l’acide sulfurique
en oxydant les composés soufrés, comme le soufre élémentaire :
S° + 3/2 O2 + H2O → H2SO4 Réaction 1 L’acide sulfurique généré peut induire de nombreuses réactions acido-basiques avec les constituants du béton et notam- ment avec la pâte de ciment. Ces der- nières associées à la lixiviation du béton, augmentent le plus souvent la porosité du béton, réduisant ainsi ses performances d’usage, comme la résistance mécanique et la résistance à l’abrasion.
L’objectif de cet article est d’utiliser le cas de la biodétérioration du béton dans les réseaux d’assainissement pour présenter une stratégie de recherche et dévelop- pement pour réduire la biodétérioration du béton en optimisant sa composition.
STRATÉGIE DE RECHERCHE ET DÉVELOPPEMENT POUR OPTIMISER LA
COMPOSITION D’UN BÉTON, AFIN D’AMÉLIORER SA PERFORMANCE DANS UN ENVIRONNEMENT CONDUISANT À SA BIODÉTÉRIORATION
La stratégie de recherche et Abstract
OPTIMISATION STRATEGY FOR CONCRETE TO WITHSTAND MICROBIAL ACTIVITY IN SANITATION SYSTEMS
Concrete is a material that is good value: it is easy to make use of and is durable, meaning that it gets used for the construction of buildings, artworks and industrial facilities in a multitude of environmental conditions.
Some conditions can, however, lead to deteriorations of concrete that reduce its life expectancy.
The NF EN 206/CN (2014) standard refers to the minimum composition of concrete for the main environments in which it is used.
For more specialised environments such as sanitation systems, a more customised research and development strategy needs to be used to incorporate the microbial activity that can lead to significant bio- deterioration of concrete.
Stratégie d’ optimisation du béton pour résister à
l’activité microbienne dans les réseaux d’assainissement
Par Christine Lors et Denis Damidot - IMT Lille Douai, membre de l’institut Carnot M.I.N.E.S.
développement proposée consiste d’une part, à connaître les interactions micro-organismes - béton, puis à tester différents leviers en couplant des essais de laboratoire à des simulations numé- riques (figure. 1).
Lorsqu’une pathologie du béton est sus- pectée être induite par des micro-or- ganismes, une première étape consiste à étudier la diversité des populations microbiennes à la surface du béton. Cette étape, mettant en jeu la biologie molé- culaire, permet de connaître les abon- dances relatives des micro-organismes.
Ainsi, il est possible de déterminer les familles et genres de micro-organismes pouvant conduire à la biodétérioration du béton. Ces derniers sont en général peu nombreux par rapport à la diversité totale. Par exemple, un mortier réalisé avec du ciment portland et mis 5 ans dans un collecteur d'eaux usées ayant une concentration en H2S souvent éle- vée, ne contenait que 3 bactéries sul- fo-oxydantes sur presque 1.400 espèces ; ces 3 espèces ne représentaient que 1.7 % de la population bactérienne [Lors- 2018]. Cette faible proportion en bac- téries sulfo-oxydantes est à mettre en relation avec la complexité du méca- nisme de biodétérioration qui résulte d'une succession de bactéries sul- fo-oxydantes en fonction de la baisse
progressive du pH à la surface du béton [Lors-2016]. Le cas du mortier cité pré- cédemment correspond après 5 ans, au début de la colonisation de la surface du béton par les bactéries sulfo-oxy- dantes neutrophiles, donc adaptées à des pH légèrement basiques à modé- rément acides.
Une fois que les espèces bactériennes conduisant à la biodétérioration du béton sont connues, une étude appro- fondie des conditions favorables mais aussi défavorables à leur croissance est réalisée avec des essais de croissance bactérienne. On peut notamment citer parmi les paramètres d’importance, le pH du milieu, le type de nutriments, l’im- pact des éléments chimiques pouvant être lixiviés par le béton et la tempéra- ture. Ces essais permettent de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la biodétérioration du béton mais également de concevoir des essais de laboratoire simplifiés et accélérés repro- duisant ce processus pour tester cer- tains paramètres d’optimisation du béton. La simulation des réactions phy- sico-chimiques complète en amont et en aval les essais expérimentaux de bio- détérioration. En amont, il est possible de présélectionner les modifications de la chimie du système qui seraient favo- rables. En aval, la simulation apporte une
meilleure compréhension des résultats expérimentaux et surtout permet d’ex- trapoler les résultats à des durées plus longues nécessaires à l’estimation de la durabilité sur des décennies de service.
La dernière étape de la démarche consiste à valider les optimisations apportées avec le suivi du béton en conditions d’usage. L’utilisation de cap- teurs pour suivre en continu certains paramètres, comme le pH de surface, associée à des échantillonnages ponc- tuels, permet de comparer l’évolution réelle à l’évolution estimée par simula- tion numérique. En cas de divergence, les modèles peuvent être recalibrés avec les données expérimentales et une maintenance préventive peut être réalisée. Actuellement, les modèles sont encore simples car basés sur une approche couplant la modélisation du transfert de matière entre le béton avec la simulation des réactions chimiques (transport-réactif). Le développement futur des jumeaux numériques laisse envisager des modèles bien plus perfor- mants dans la décennie à venir. Dans le cas d’un réseau d’assainissement, la prise en compte de l’ensemble des données du réseau, comme l’hydrodynamique, la température, les concentrations en H2S, conduira à des améliorations significa- tives des simulations.
CONDITIONS OPTIMALES DE CROISSANCE DES BACTÉRIES SULFO-OXYDANTES
Deux espèces de bactéries sul- fo-oxydantes, l’une neutrophile, Halothiobacillus neapolitanus, et l’autre acidophile, Acidithiobacillus thiooxi- dans, sont suffisantes pour reproduire les principaux mécanismes de biodé- térioration du béton en laboratoire.
La croissance des micro-organismes est dépendante de l’environnement, dans lequel ces derniers se trouvent.
H. neapolitanus pourra survivre à des pH compris entre 3 et 8,5, d’où son caractère neutrophile. A. thiooxidans est adapté à des pH plus acides compris en 5,5 et 0,5. Ainsi, la colonisation du béton par les bactéries sulfo-oxydantes sera précédée d’une période durant laquelle le pH de surface du béton diminuera par les mécanismes classiques de car- bonatation et de lixiviation. Une fois que le pH de surface du béton est suf- fisamment réduit, la croissance des micro-organismes démarrera ; celle-ci Figure 1 : Représentation schématique de la stratégie de recherche
et développement pour optimiser la composition d’un béton,
afin d’améliorer sa performance dans un environnement conduisant à sa biodétérioration.
étant fortement dépendante de la tem- pérature et de la concentration des nutriments. La température de crois- sance optimale pour les deux espèces de bactéries sulfo-oxydantes considé- rées se situe entre 28 et 30 °C. Le pH de la surface du béton aura également une influence significative. Le pH initial du milieu de culture a aussi un fort impact sur la vitesse de croissance (temps de latence, vitesse de multiplication cel- lulaire) [Hondjuila Miokono-2011].
Les essais de croissance, réalisés en conditions optimales, indiquent l’exis- tence d’un pH optimum vis-à-vis de la vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxydantes considérées : 3 pour A.
thiooxidans et 6,5 pour H. neapolitanus (figure 2). La transition entre bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles et acido- philes se produit pour des valeurs de pH comprises entre 4,5 et 5, correspondant à de faibles vitesses de croissance bac- térienne. De plus, H. neapolitanus est capable de développer un mécanisme de survie, afin d’éviter que l’acidifica- tion progressive du milieu associée à sa croissance conduise à sa perte [Lors- 2017]. En effet, l’oxydation des compo- sés soufrés est un processus complexe, qui peut mettre en jeu plusieurs étapes.
Dans le cas présent, le thiosulfate est oxydé en deux étapes :
6 Na2S2O3 + 5 O2 → 4 Na2SO4 + 2 Na2S4O6 Réaction 2 2 Na2S4O6 + 6 H2O + 7 O2 → 2 Na2SO4 + 6 H2SO4 Réaction 3
Ainsi, quand le pH du milieu s’approche
de la valeur limite de survie de H. neapo- litanus, ce dernier stoppe l’acidification du milieu en ne réalisant plus l’oxyda- tion du tétrathionate en sulfate (réac- tion 3). Ce mécanisme est très important pour optimiser la composition chimique du béton et principalement de la pâte de ciment, afin de réduire la vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxy- dantes neutrophiles. En effet, un béton, qui permettra une forte réduction du pH à sa surface, conduira rapidement aux conditions limitant la production d’acide sulfurique. Ceci a pour consé- quence d’allonger la période de tran- sition entre bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles et acidophiles et de limiter l’acidification du milieu.
EFFET DE LA COMPOSITION CHIMIQUE DU BÉTON ET PRINCIPALEMENT DE LA PÂTE DE CIMENT SUR LA CAPACITÉ DE NEUTRALISATION ACIDE La composition chimique du ciment utilisé pour confectionner le béton a une influence majeure sur sa capacité de neutralisation acide. Deux ciments, un ciment portland CEM I (OPC) et un ciment d’aluminate de calcium (CAC) ayant des compositions chimiques très différentes sont considérés ci-après pour illustrer ce paramètre (tableau. 1).
La capacité de neutralisation acide peut être estimée à un pH donné par la quan- tité de H+ qui doit être ajoutée (sous forme d’acide sulfurique dans le cas
présent) pour arriver à ce pH. Les valeurs de capacité de neutralisation acide pour les deux ciments ont été ajoutés aux courbes de vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxydantes présentées précédemment puisque la connaissance de l’interaction de ces deux paramètres est recherchée (figure 2). La quantité d’acide nécessaire pour réduire le pH à 5 est plus de deux fois inférieure pour le CAC comparativement à l’OPC. Ainsi, les bactéries sulfo-oxydantes neutro- philes resteront moins longtemps en conditions optimales de croissance si un ciment CAC est utilisé. En conséquence, la production d’acide sulfurique sera réduite durant cette étape conduisant à une faible biodétérioration. La capa- cité de neutralisation du CAC présente une particularité pour des pH compris entre 5 et 3,9 puisque la quantité de H+ nécessaire pour diminuer le pH est très élevée. Cette particularité, qui est due à la présence d’hydroxyde d’aluminium, va également être très bénéfique pour améliorer la performance en allongeant fortement la période de transition entre bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles et acidophiles. Toutefois, une fois que les bactéries sulfo-oxydantes acidophiles contrôlent le milieu, pour des pH infé- rieurs à 3,5, les deux ciments auront un comportement identique : ils ne pour- ront pas s’opposer à une période de forte croissance de A. thiooxidans induisant Figure 2 : Vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxydantes en fonction
du pH et capacité de neutralisation acide (CNA) des ciments estimée par la quantité d’H+ ajoutée (sous forme de H2SO4 à un pH de 1) à 10 g de ciment dans 500 ml pour avoir un « quasi » équilibre entre le ciment et la solution aqueuse à un pH donné.
Tableau 1 : Composition en éléments chimiques des ciments OPC et CAC (Teneur massique %)
Eléments OPC CAC
O 41,1 42,7
Ca 41,9 26
Si 7,5 2,1
Fe 2,9 1,2
Al 2,6 25,9
S 1,8
K 0,6 0,3
Na 0,4
Mg 0,4 0,3
P 0,2
Ti 0,2 1,1
C 0,13
Sr 0,1
une forte biodétérioration du béton.
La simulation numérique des réactions chimiques à l’équilibre, couramment réalisée avec des programmes géo- chimiques, permet de reproduire très simplement les courbes de capacité de neutralisation acide d’un ciment. La figure 3 présente la simulation pour le ciment portland dont la tendance suit celle de la courbe expérimentale bien que cette dernière soit plus précise.
Les différences observées sont dues, d’une part, aux phénomènes de dif- fusion mis en jeu expérimentalement au sein des grains de ciment même si ces derniers sont très petits (diamètre moyen inférieur à 20 mm). D’autre part, le pH de la solution d’acide sulfurique est égal à 2 dans la simulation au lieu de 1, ce qui modifie la fin de la courbe aux pH les plus acides. Les simula- tions conduisent à plusieurs voies de modifications de la chimie du ciment portland visant à réduire la quantité de portlandite (Ca(OH)2) en formant des hydrates moins solubles, riches en Al et Si. Ces compositions chimiques peuvent être atteintes par des ajouts de constituants, comme du laitier de haut fourneau. D’autres possibilités moins courantes sont basées sur une augmentation de la quantité de Mg par rapport à Ca, afin de promouvoir la formation d’hydrotalcite très peu soluble. En revanche, la présence de
carbonate de calcium, fréquemment trouvé sous forme de calcite dans le ciment portland, sera défavorable. En effet, la calcite va augmenter la capa- cité de neutralisation acide dans la gamme de pH où la vitesse de crois- sance des bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles est la plus élevée condui- sant à une attaque plus forte.
La composition chimique du sable et des granulats du béton peut également impacter la capacité de neutralisa- tion acide du béton et ainsi influen- cer négativement ou positivement la croissance bactérienne. Ainsi, il y aura une grosse différence de comporte- ment entre des granulats calcaire ou siliceux. Le granulat calcaire augmente la vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles tout comme la calcite contenue dans le ciment. Par contre, un granulat sili- ceux n’a pas d’impact sur la croissance des bactéries sulfo-oxydantes neutro- philes puisqu’il reste inerte chimi- quement pour des pH supérieurs à la période de transition entre bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles et acido- philes. De façon opposée, les granulats pourront avoir une action qui réduira l’activité des bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles. Par exemple, certaines formulations contenant du ciment d’aluminate de calcium contiennent également du clinker d’aluminate de
calcium grossièrement broyé comme sable et granulat, renforçant ainsi la capacité de neutralisation acide dans la gamme de pH associée à la transi- tion entre bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles et acidophiles. Un effet moindre peut également être atteint avec du laitier de haut fourneau uti- lisé en substitution partielle du sable ou du granulat.
EFFET DE LA COMPOSITION DU BÉTON SUR L’ÉPAISSEUR DÉTÉRIORÉE DU BÉTON
La composition du béton et notam- ment l’empilement granulaire des dif- férents constituants (granulat, sable et ciment) ainsi que la quantité d’eau sont directement reliées à la microstructure du béton dont dépendent les proprié- tés d’usage. Une microstructure plus dense, ayant une faible porosité avec une distribution porale constituée de pores de très petites tailles (inférieurs à 1 µm), induit une meilleure résistance mécanique ainsi qu’une réduction de la perméabilité du béton et de la vitesse de diffusion au sein du béton. La dura- bilité est ainsi fortement améliorée lorsque la microstructure est optimi- sée. Un meilleur empilement granu- laire est obtenu par une optimisation de la quantité des constituants et par l’ajout de constituants plus fins que le ciment. L’utilisation de superplastifiants peut réduire la quantité d’eau générale- ment en excès par rapport à la quantité d’eau nécessaire à la réaction chimique d’hydratation du ciment pour avoir suf- fisamment de fluidité lors de la mise en place du béton. La simulation numé- rique par transport réactif permet de calculer avec une bonne approxima- tion l’épaisseur détériorée d’un béton de composition donnée. Toutefois, des phénomènes additionnels peuvent se produire en conditions de service et ainsi modifier ces estimations. La pré- sence de micro-fissures, résultant de la mise en place du béton ou de contraintes mécaniques, conduit à des zones pré- férentielles de transport de matière, qui induisent des profondeurs d’alté- ration bien plus grandes localement au niveau des micro-fissures. De façon opposée, les réactions de dissolution et de précipitation intervenant lors du la biodétérioration conduisent parfois à un colmatage partiel ou complet de la porosité de la zone détériorée. Par Figure 3 : Capacité de neutralisation acide (CNA) du ciment portland
estimée par la quantité d’H+ ajoutée à 10 g de ciment dans 500 ml pour avoir un « quasi » équilibre entre le ciment et la solution aqueuse à un pH donné ; expérience réalisée avec H2SO4 à un pH de 1 et simulation avec H2SO4 à un pH de 2.
exemple, la biodétérioration d’un béton à base d’aluminate de calcium en pré- sence de bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles induit la formation d’une couche dense au niveau de sa surface par précipitation d’une grande quantité d’hydroxyde d’aluminium. La microgra- phie de la figure 4 met en évidence une zone d’environ 1 mm d’épaisseur, qui est de plus en plus riche en d’hydroxyde d’aluminium en se rapprochant de la surface. La précipitation d’hydroxyde d’aluminium permet de garder une très faible porosité dans cette zone, qui est donc associée à un coefficient de dif- fusion équivalent et même parfois plus faible que celui de la pâte de ciment non altérée. Ce mécanisme bénéfique pour la durabilité s’additionne au mécanisme chimique évoqué auparavant qui permet au ciment à base d’aluminate de cal- cium de réduire la vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxydantes neutro- philes. De façon opposée, l’observation de la zone détériorée d’un béton à base de ciment portland soumis à la même biodétérioration est très poreuse accé- lérant ainsi les processus de diffusion.
L’optimisation de la microstructure permet d’envisager des solutions com- posites plus économiques. En effet, il est possible d’utiliser le béton optimisé, plus coûteux, en revêtement d’un béton standard, si l’épaisseur détériorée esti- mée reste inférieure à 3-5 cm. Le pro- cédé d’application du revêtement aura également un effet notable sur la per- formance. Par exemple, dans le cas de tuyau, un procédé par centrifugation ou avec une tête rotative comme uti- lisé pour réaliser les revêtements de béton dans les tuyaux de fonte ou d’acier,
conduit à une microstructure particuliè- rement efficace. La centrifugation per- met en effet d’avoir une microstructure dense et enrichie en pâte de ciment à la surface du revêtement.
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
La biodétérioration des bétons est le résultat d’interactions complexes entre le matériau, l’environnement et les micro-organismes. Néanmoins, il est possible d’avoir une stratégie de recherche et développement pour optimiser la composition du béton afin d'améliorer sa performance. Cette stratégie a été présentée de façon
synthétique dans cet article, afin de formuler des bétons résistants à l’acti- vité bactérienne dans les réseaux d’as- sainissement. L’arrivée prochaine des jumeaux numériques associée à la col- lecte de grande quantité de données issues des réseaux d’assainissement, permettra certainement de compléter l’approche en ayant une vision encore plus globale du système. De plus, dans le cas du béton, il est également impor- tant de ne pas oublier que la corrosion des aciers et la principale pathologie du béton armé et que les micro-orga- nismes peuvent aussi participer aux mécanismes de corrosion.
Figure 4 : Microstructure d’un mortier à base de ciment d’aluminate de calcium exposé dans un collecteur d’eaux usées et soumis à une biodétérioration par des bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles.
Observation d’une coupe de l’échantillon par microscopie électronique (surface à droite et cœur de l’échantillon à gauche).
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