Stratégie d’optimisation du béton pour résister à l’activité microbienne dans les réseaux d’assainissement
26 février 2021Paru dans le N°439
à la page 88 ( mots)
Rédigé par : Christine LORS et Denis DAMIDOT de IMT Lille Douai
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.
Cette démarche est souvent réalisée à posteriori car les mécanismes d’altération du béton peuvent n'être que partiellement connus ou anticipés lors de l’utilisation du béton pour une nouvelle application ou un nouvel environnement. L’utilisation du béton dans les réseaux d’assainissement illustre bien ce cas. En effet, il s’agit du premier environnement dans lequel Parker a mis en évidence 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 physico-chimique conduisant à l’altération du béton, puisque les bactéries sulfo-oxydantes 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 notamment avec la pâte de ciment. Ces dernières 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 développement pour réduire la biodétérioration du béton en optimisant sa composition.
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.
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 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 numériques (figure. 1).
Lorsqu’une pathologie du béton est suspectée être induite par des micro-organismes, une première étape consiste à étudier la diversité des populations microbiennes à la surface du béton. Cette étape, mettant en jeu la biologie moléculaire, permet de connaître les abondances 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 élevée, ne contenait que 3 bactéries sulfo-oxydantes sur presque 1.400 espèces ; ces 3 espèces ne représentaient que 1.7 % de la population bactérienne [Lors-2018]. Cette faible proportion en bactéries sulfo-oxydantes est à mettre en relation avec la complexité du mécanisme de biodétérioration qui résulte d'une succession de bactéries sulfo-oxydantes en fonction de la baisse progressive du pH à la surface du béton [Lors-2016]. Le cas du mortier cité précédemment correspond après 5 ans, au début de la colonisation de la surface du béton par les bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles, donc adaptées à des pH légèrement basiques à modérément acides.
Une fois que les espèces bactériennes conduisant à la biodétérioration du béton sont connues, une étude approfondie 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’impact des éléments chimiques pouvant être lixiviés par le béton et la température. 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 reproduisant ce processus pour tester certains paramètres d’optimisation du béton. La simulation des réactions physico-chimiques complète en amont et en aval les essais expérimentaux de biodétérioration. En amont, il est possible de présélectionner les modifications de la chimie du système qui seraient favorables. En aval, la simulation apporte une meilleure compréhension des résultats expérimentaux et surtout permet d’extrapoler 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 capteurs pour suivre en continu certains paramètres, comme le pH de surface, associée à des échantillonnages ponctuels, permet de comparer l’évolution réelle à l’évolution estimée par simulation 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 performants 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 significatives des simulations.
Conditions optimales de croissance des bactéries sulfo-oxydantes
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.
Deux espèces de bactéries sulfo-oxydantes, l’une neutrophile, Halothiobacillus neapolitanus, et l’autre acidophile, Acidithiobacillus thiooxidans, sont suffisantes pour reproduire les principaux mécanismes de biodétérioration 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 carbonatation et de lixiviation. Une fois que le pH de surface du béton est suffisamment réduit, la croissance des micro-organismes démarrera ; celle-ci étant fortement dépendante de la température et de la concentration des nutriments. La température de croissance optimale pour les deux espèces de bactéries sulfo-oxydantes considérées 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 cellulaire) [Hondjuila Miokono-2011]. Les essais de croissance, réalisés en conditions optimales, indiquent l’existence 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 acidophiles se produit pour des valeurs de pH comprises entre 4,5 et 5, correspondant à de faibles vitesses de croissance bactérienne. De plus, H. neapolitanus est capable de développer un mécanisme de survie, afin d’éviter que l’acidification progressive du milieu associée à sa croissance conduise à sa perte [Lors-2017]. En effet, l’oxydation des composés soufrés est un processus complexe, qui peut mettre en jeu plusieurs étapes. Dans le cas présent, le thiosulfate est oxydé en deux étapes :
Ainsi, quand le pH du milieu s’approche de la valeur limite de survie de H. neapolitanus, ce dernier stoppe l’acidification du milieu en ne réalisant plus l’oxydation du tétrathionate en sulfate (réaction 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-oxydantes 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 conséquence d’allonger la période de transition 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 quantité 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 neutrophiles 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 capacité 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 inférieurs à 3,5, les deux ciments auront un comportement identique : ils ne pourront pas s’opposer à une période de forte croissance de A. thiooxidans induisant une forte biodétérioration du béton.
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.
La simulation numérique des réactions chimiques à l’équilibre, couramment réalisée avec des programmes géochimiques, 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 diffusion 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 simulations 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 capacité de neutralisation acide dans la gamme de pH où la vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles est la plus élevée conduisant à une attaque plus forte.
La composition chimique du sable et des granulats du béton peut également impacter la capacité de neutralisation acide du béton et ainsi influencer négativement ou positivement la croissance bactérienne. Ainsi, il y aura une grosse différence de comportement 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 siliceux n’a pas d’impact sur la croissance des bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles puisqu’il reste inerte chimiquement pour des pH supérieurs à la période de transition entre bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles et acidophiles. 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 transition entre bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles et acidophiles. Un effet moindre peut également être atteint avec du laitier de haut fourneau utilisé en substitution partielle du sable ou du granulat.
Effet de la composition du béton sur l’épaisseur détériorée du béton
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).
La composition du béton et notamment l’empilement granulaire des différents constituants (granulat, sable et ciment) ainsi que la quantité d’eau sont directement reliées à la microstructure du béton dont dépendent les propriétés 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 durabilité est ainsi fortement améliorée lorsque la microstructure est optimisée. Un meilleur empilement granulaire 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 généralement en excès par rapport à la quantité d’eau nécessaire à la réaction chimique d’hydratation du ciment pour avoir suffisamment de fluidité lors de la mise en place du béton. La simulation numérique par transport réactif permet de calculer avec une bonne approximation 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 présence de micro-fissures, résultant de la mise en place du béton ou de contraintes mécaniques, conduit à des zones préférentielles de transport de matière, qui induisent des profondeurs d’altération 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 exemple, la biodétérioration d’un béton à base d’aluminate de calcium en présence 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 micrographie 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 diffusion 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 calcium de réduire la vitesse de croissance des bactéries sulfo-oxydantes neutrophiles. 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 accélérant ainsi les processus de diffusion.
L’optimisation de la microstructure permet d’envisager des solutions composites plus économiques. En effet, il est possible d’utiliser le béton optimisé, plus coûteux, en revêtement d’un béton standard, si l’épaisseur détériorée estimée reste inférieure à 3-5 cm. Le procédé d’application du revêtement aura également un effet notable sur la performance. Par exemple, dans le cas de tuyau, un procédé par centrifugation ou avec une tête rotative comme utilisé pour réaliser les revêtements de béton dans les tuyaux de fonte ou d’acier, conduit à une microstructure particulièrement efficace. La centrifugation permet 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’activité bactérienne dans les réseaux d’assainissement. L’arrivée prochaine des jumeaux numériques associée à la collecte 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 important de ne pas oublier que la corrosion des aciers et la principale pathologie du béton armé et que les micro-organismes peuvent aussi participer aux mécanismes de corrosion.
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