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

Biohealing of concrete structures by injection and sprinkling of inoculated shear-thinning media

• Auteur / Autrice : Adrien Perrin
• Direction : Christine Lors, Richard Gagné
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 17/03/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université de Sherbrooke (Québec, Canada) - Centre for Materials and Processes / CERI MP - IMT Nord Europe
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Électricité de France
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Faisl Bousta, Denis Damidot, Josee Duchesne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michèle Quéneudec T'Kint de Roodenbeke, Hubert Cabana

Mots clés

Mots clés libres

Biocicatrisation

Bactérie

Consortium

Béton

Fissure

Injection

Rhéologie

Réparation

Mortier

Biohealing

Bacteria

Consortim

Concrete

Cracks

Injection

Rheology

Reparation

Mortar

Résumé

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 productionde 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 de l’eau à 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) ) Moret-Loing-et Orvane, 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.

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, polyurethane, etc.). However, these potentially polluting materials can have a limited lifespan and are sometimes incompatible with concrete. The objective of this 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 repair.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 demonstred 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 cracks opening, and then stored under laboratory conditions (20°C, 100% relative humidity). For fine cracks (approximately 100 µn) 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 concret slab (1 x 2 x 0,5) stored in laboratory conditions (20°C). Biotreatment of the cracks resulted in a 99% reduction in water permeability for both cracks, with the confirmation that some scaling 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-treatement tests performed on larger scale concrete structures : for dry cracks, the EDF VeRCoRs mock-up, which is 1/3 scale nuclear reactor enclosure ; anf 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 biotreament of cracks.