Biocicatrisation des structures en béton par injection et aspersion de milieux rhéofluidifiants inoculés

Abstract

Le béton, le matériau de construction le plus utilisé au monde, peut s’altérer au contact de son environnement, conduisant à générer des fissures et à réduire la durabilité des ouvrages. La méthode de réparation des fissures fines la plus utilisée actuellement est l’injection de résines (époxy, polyuréthanes, etc.). Cependant, il s’agit d’une technique polluante, de courte durée et parfois peu compatible avec le béton. L’objectif de cette thèse est de développer une méthode de réparation biologique applicable à des ouvrages réels en injectant une formulation inoculée pour colmater une fissure avec un composite formé de carbonate de calcium biosourcé et de biofilm. Deux éléments ont été développés : un inoculum microbien et un outil prédictif permettant la production de formulations épaissies rhéofluidifiantes adaptées à la taille de la fissure à traiter. L’inoculum microbien est un consortium de micro-organismes indigènes adaptés aux matériaux cimentaires. Il a une croissance rapide et permet la production significative de calcite et de vatérite à partir de lactate de calcium dans les conditions environnementales d’un ouvrage en béton (20°C et pH de surface alcalin). L’outil prédictif a permis la production de formulations injectables et biocompatibles dans des fissures allant de 40 à 1000 µm. Une formulation sélectionnée, en association avec le consortium microbien, a été injectée dans des mortiers fissurés en conditions de laboratoire (20°C, 100% d’humidité relative). Une injection de la formulation épaissie inoculée a permis de réduire l’ouverture apparente de fissures fines (de l’ordre de 100 µm) de 84-90% et de fissures moyennes (250 et 450 µm) de 77-78%. Le système de biocicatrisation a été utilisé pour bioréparer deux fissures de l’ordre de 400 µm dans une dalle en béton fissurée (1 x 2 x 0,15 m) en conditions de laboratoire (20°C). Les résultats obtenus ont montré une réduction de la perméabilité à l’eau de 99% pour les deux fissures avec une confirmation que le matériau de colmatage est bien de nature biologique. Deux méthodes d’injection adaptées à des fissures sèches et humides ont été développées. Elles ont permis de tester le système de biocicatrisation sur des fissures d’ouvrages réels : la maquette VeRCoRs d’EDF (Electricité De France) à Moret-Loing-et-Orvanne, France (fissures sèches), qui reproduit à l’échelle 1/3 une enceinte de réacteur nucléaire et un barrage de la centrale hydroélectrique d’Hydro-Sherbrooke à Weedon, CANADA (fissures humides). Ces deux essais ont montré des résultats prometteurs et constituent une preuve de concept de cette technique de biocicatrisation par injection.

Abstract : Concrete, the most widely used construction material, can deteriorate on contact with its environment, leading to cracks which may negatively impact its durability. The most commonly used method for repairing fine cracks is the injection of resins (epoxy, polyurethanes, etc.). However, these potentially polluting materials can have a limited lifespan and are sometimes incompatible with concrete. The objective of the thesis is to develop a biological crack repair method for concrete structures. Crack sealing is achieved by injecting an inoculated thickened liquid, leading to the production of bio-based calcium carbonate and biofilm into the crack. The development has two main innovations: a specific microbial inoculum and a predictive model for the design and the production of shear thinning injection liquid specifically optimized for the opening of the crack to be repaired. The microbial inoculum is a consortium of native microorganisms adapted to cementitious materials. The consortium grows rapidly and produces significant amount of calcite and vaterite from the metabolization of calcium lactate under typical environmental conditions found in a crack (humidity, 20° C and alkaline pH). The predictive model has demonstrated its effectiveness in designing injectable and biocompatible formulations in cracks with opening ranging from 40 to 1000 μm. A selected formulation inoculated with the microbial consortium was injected into mortar samples with a range of crack opening, and then stored under laboratory conditions (20 ° C, 100% relative humidity). For fine cracks (approximately 100 μm) injection of the inoculated thickened formulation reduced the apparent crack opening by 84-90%. For larger cracks (250 and 450 μm), the apparent crack opening was reduced by 77%. The same biocicatrisation system was used to bio-repair two 400 μm cracks in a concrete slab (1 x 2 x 0.15 m) stored in laboratory conditions (20 ° C). Bio-treatment of the cracks resulted in a 99% reduction in water permeability for both cracks, with the confirmation that some sealing materials formed in the cracks are the result of a biological process. Two injection methods suitable for dry and wet cracks have been developed for bio-treatment tests performed on larger scale concrete structures: for dry cracks, the EDF VeRCoRs mock-up, which is 1/3 scale nuclear reactor enclosure; and for wet cracks, a dam in the hydroelectric power plant of Weedon, Canada. These two on-site trials have produced promising results and are a significant contribution to the proof of concept of this new approach for bio-treatment of cracks.