Vieillissement et maintenance des réseaux et structures d’assainissement soumis à des processus bio-physico-chimiques

Responsable

Thierry Chaussadent Ifsttar/MAST/CPDM

Enjeux et objectifs

Face aux enjeux liés à l’importance du linéaire de patrimoine de réseaux d’assainissement dont la durabilité se trouve notamment affectée par des phénomènes liés au couplage entre matériau et nature des fluides, et notamment à la formation d’hydrogène sulfuré (H2S) qui est utilisé par des bactéries sulfooxydantes avec une production d’acide sulfurique (H2SO4) biogénique délétère pour les matériaux en particulier pour les matériaux cimentaires (figure 1), cette opération avait pour objectifs principaux :

  • pour les structures neuves, la définition d’éléments d’une démarche préventive visant à se prémunir contre ces dégradations
  • pour les structures anciennes, une meilleure connaissance des conditions de dégradation et l’amélioration des outils de prédiction, pour définir des solutions de suivi et de réparation
  • l’élaboration de procédures pour une politique de maintenance
Figure 1. Dégradation des matériaux cimentaires par des processus biochimiques en présence d’hydrogène sulfuré

Pour atteindre les objectifs fixés, trois sujets avaient été définis :

  1. Mécanismes et paramètres déterminants de la bio-altération des matériaux  
  2. Modèles de prédiction du vieillissement
  3. Solutions pour la construction, la réparation ou la réhabilitation

Dans ce cadre, une thèse Cifre a été financée par la société Kerneos et des partenariats ont été contractualisés avec Veolia Eau et le Syndicat Intercommunal du Bassin d’Arcachon. D’autres contacts ont été pris avec des industriels pour des échanges informels sur les différents sujets traités.

Les trois laboratoires de l’Ifsttar engagés dans les recherches ont été le Laboratoire CPDM (Département Matériaux et Structures), le Laboratoire LISIS (Département  Composants et Systèmes) et le Laboratoire Navier. Ils ont été épaulés par des travaux réalisés au sein des CETE (Laboratoires d’Autun, de Saint-Brieuc et de Lyon).

Principaux résultats

Un des aspects clés de la réussite de cette opération de recherche a  été l’étude réalisée au sein d’un réseau d’assainissement pour tester différents matériaux. Cette étude a permis de définir après 4 ans d’exposition les matériaux cimentaires adaptés à la présence d’H2S, en particulier ceux à base de ciment d’aluminate de calcium. La figure 2 illustre les dégradations importantes subies par d’autres types de matériaux comme par exemple ceux à base de ciment Portland. Des études complémentaires ont également été menées sur les matériaux in situ pour caractériser la nature du biofilm et notamment la diversité bactérienne et l’influence de d’élément comme l’aluminium sur l’activité de ce biofilm (figure 3).

Figure 2. Biodétérioration au cours du temps d’exposition d’un mortier à base de ciment Portland CEM I dans un réseau d’assainissement avec une teneur moyenne en H2S d’environ 100 ppm
Figure 3. Analyse du rôle de l’aluminium dissous à partir des matériaux cimentaires sur l’activité bactérienne (ATP)

En parallèle à ces essais in situ, des études en laboratoire conduites principalement dans le cadre de la thèse de Jean Herisson (thèse Cifre Kerneos) ont permis d’analyser les différents paramètres intervenant dans les processus de biodétérioration et de définir un essai accéléré (figure 4).

Figure 4. Caractéristiques de l’essai accéléré mis au point pour étudier la biodétérioration des matériaux en présence d’H2S.

Une deuxième thèse (Haifeng Yuan, thèse Ifsttar) a porté sur la modélisation de la biodétérioration des matériaux cimentaires en présence d’H2S. Ce travail a permis de modéliser l’attaque des matériaux par H2SO4, le rôle de l’H2S sur la première étape d’abaissement du pH de surface ainsi que la biodétérioration des matériaux cimentaires par l’H2S en prenant en compte l’activité du biofilm (figure 5). Les résultats obtenus constituent par ailleurs une aide dans l’amélioration de la mise au point de l’essai accéléré.

Figure 5. Modélisation de la progression de la biodétérioration dans un béton de ciment portland et comparaison avec l’expérience

D’autres études ont également été entreprises en particulier sur des états de l’art des processus de biodétérioration et l’analyse de la normalisation actuelle dans le domaine des matériaux pour les réseaux d’assainissement, sur l’utilisation de composites pour le renforcement des réseaux d’assainissement et sur le vieillissement des matériaux polymères.

Avancées scientifiques et produits majeurs

Les avancées scientifiques majeures de cette opération de recherche portent, d’une part, sur la meilleure compréhension des mécanismes de biodétérioration des matériaux dans les réseaux d’assainissement avec l’identification des paramètres clés et, d’autre part, sur la mise au point d’un test de biodétérioration. Cette opération de recherche a en outre permis d’élaborer un certain nombre de produits :

  • Base de données sur le comportement des matériaux dans les réseaux d’assainissement
  • Synthèses bibliographiques sur la biodétérioration des matériaux dans les réseaux d’assainissement, sur le renforcement des réseaux par des composites, sur le comportement des polymères et la réparation des ouvrages d’assainissement
  • Création d’un laboratoire au sein de l’Ifsttar dédié à l’étude des interactions matériaux/microorganismes
  • Méthodologie pour la sélection de bactéries
  • Protocole de suivi d’échantillons dans les réseaux d’assainissement
  • Réalisation d’une enceinte de biodétérioration de matériaux et écriture d’une première version d’un mode opératoire
  • Modèles pour quantifier la dégradation des matériaux cimentaires par l’acide sulfurique chimique ou biogénique

Perspectives

Outre la diffusion des résultats par des publications et la réalisation d’un ERLPC qui synthétisera l’ensemble des études en 2014, les nombreux échanges avec des partenaires industriels et académiques nous ont permis de définir différents axes de diffusion de nos résultats et de définition de nouveaux projets. On peut citer en particulier les montages actuels :

  • d’une action Européenne COST « European Network on Understanding Biogenic Sulfuric Acid Impact on Sewer Pipe Materials Durability » proposé en partenariat avec le laboratoire LGE de l’Université Paris-Est. 16 pays ont répondu favorablement et le projet sera déposé fin septembre 2013.
  • d’un projet FUI « Evaluation des matériaux et tuyaux compatibles avec les réseaux d’assainissement » en cours de montage en partenariat avec l’INSA de Toulouse, Kerneos, Saint Gobain PAM et des gestionnaires de réseaux.
  • d’un dossier pour proposer l’essai de biodétérioration à la normalisation. La finalisation de l’essai se fera dans le cadre d’une action R2I « Mise en place d’un essai en laboratoire de biodétérioration des matériaux cimentaires » pilotée par M. Guéguen-Minerbe en 2013-2014.

Productions principales issues de ce travail

  • Herisson J., Biodétérioration des matériaux cimentaires dans les ouvrages d’assainissement : étude comparative du ciment d’aluminate de calcium et du ciment Portland, Doctorat de l’Université Paris-Est, soutenu le 16 octobre 2012.
  • Yuan H., Degradation modeling of concrete submitted to biogenic acid attack, Doctorat de l’Université Paris-Est, soutenu le 3 décembre 2013.
  • Herisson J., van Hullebusch E., Moletta-Denat M., Taquet P., Chaussadent T., Toward an accelerated biodeterioration test to understand the behavior of Portland and calcium aluminate cementitious materials in sewer networks, International Biodeterioration & Biodegradation, 84, 236-243., 2013.
  • Haifeng Y., Dangla P., Chatellier P., Chaussadent T., Degradation modeling of concrete submitted to sulfuric acid attack, Cement and Concrete Research, 53, 267-277, 2013
  • Chaussadent T., Boinski F., Van Hullebusch E., Chatellier P., Etude des mécanismes de biodégradation du matériau béton pour une optimisation de la durabilité des réseaux d’assainissement, Récents Progrès en Génie des Procédés, 6 p., 2009
  • Gueguen-Minerbe M., Herisson J., Taquet P., Chaussadent T., Impact de la matrice cimentaire sur le développement de biofilms dans les réseaux d’assainissement, Cahiers de l’ASEES, 17, pp. 1–5, 2012