Soutenance mémoire
Apport de bactéries capables de biominéralisation
Différents traitements menant à l’utilisation de la production de CaCO3 par les microorganismes ont ainsi été développés. Les traitements consistant à l’apport de micro-organismes directement sur le support sont les plus documentés. Le Métayer-Levrel et al. (1999) réalisent un dépôt d’une suspension bactérienne (Bacillus cereus), par aspersion, directement sur du tuffeau à traiter (Figure 1-12). Le but de leur étude est de développer un traitement de façade moins polluant que les traitements conventionnels. Leur traitement, réalisé dans 3 conditions différentes (laboratoire, extérieur et en enceinte de vieillissement accéléré) et analysé sur plusieurs mois a permis d’observer un impact positif des bactéries sur les roches traitées. Après quinze mois d’expérience, les chercheurs ont noté que la biocalcification a évolué de façon similaire sur chaque échantillon traité, placé en extérieur et que les échantillons traités sont moins dégradés que les non traités. Toutefois, lorsqu’une dégradation est observée sur les échantillons traités, elle se situe sur les zones où l’eau de pluie peut s’accumuler. Les résultats obtenus au cours de cette étude sont plus marqués sur les échantillons placés en vieillissement accéléré, où les échantillons non traités sont dégradés, tandis que les échantillons traités ne le sont pas.La même année, Tiano et al. (1999) menaient une étude similaire, en laboratoire (Figure 1-12) mais en employant deux souches bactériennes morphologiquement différentes, Micrococcus sp. ou Bacillus subtilis. L’équipe a pu noter une diminution de l’absorption en eau et la formation de structures polycristallines produites par les bactéries, sur les échantillons traités. Cependant, il n’existe aucune différence entre les échantillons traités et témoins, en ce qui concerne la cohésion de surface. Les équipes de Rodriguez-Navarro et al. (2003) et Dick et al. (2006) ont choisi d’étudier la production de CaCO3, et leur impact sur des roches en immergeant les échantillons plutôt qu’en les aspergeant. Rodriguez-Navarro et al. (2003) ont ainsi immergés leurs échantillons dans des bouillons bactériens contenant Myxococcus xanthus et ont observé l’impact de ce traitement sur les roches (Figure 1-13). Ils ont pu observer une augmentation de la masse des échantillons et détecter un polymorphe du CaCO3, la vatérite, dans les cultures. Si de la calcite s’est formée sur les échantillons traités, elle n’a pu être distinguée de celle déjà présente dans le matériau. Des bactéries enrobées de CaCO3 ont été observées au microscope électronique à balayage (MEB) sur les échantillons traités. De plus, les pores ont été couverts par les bactéries calcifiées. Toutefois, une analyse par porosimétrie par intrusion au mercure des échantillons n’a révélé aucun changement significatif de la porosité des échantillons avant et après traitement. Dick et al. (2006) vont suivre un protocole de traitement différent et étudier des bactéries extraites du support à traiter et leur production d’exopolysaccharides (EPS) et de CaCO3. Les souches isolées sont sélectionnées suivant leur faculté de production de CaCO3, de synthèse de l’uréase et leur production d’EPS. Les échantillons de roches sont immergés dans le bouillon bactérien contenant ces souches sélectionnées et la production de CaCO3 est stimulée par apport d’ions calcium, en plusieurs étapes (Figure 1-13). Par ces expériences, ils ont pu déterminer que les souches avaient une production similaire d’EPS. Ausi, l’absorption en eau des échantillons diminue, mais de façon différente suivant les souches utilisées pour le traitement. Une observation au MEB des échantillons présentant les plus fortes diminutions en eau ont montré la formation d’un dépôt de calcite plus ou moins homogène à leur surface. Bien que les résultats de cette étude soient intéressants pour préserver des roches calcaires dégradées, la mise en œuvre d’un tel traitement en trop fastidieuse sur site. Quel que soit le traitement employé (aspersion ou immersion), la plupart des études menées avec un apport de bactéries biocalcifiantes et de milieu de culture sur support ont montré une diminution de l’absorption des roches en eau, ce qui représente l’un des principaux objectifs de ces travaux. Cependant, l’apport de bactéries sur un support placé en environnement extérieur peut poser des problèmes de mise en œuvre ou encore un problème de dispersion des microorganismes dans l’environnement quand le traitement est rincé par la pluie. C’est pourquoi quelques études favorisent un autre mode d’action.
Traitement de la surface de la matrice cimentaire par dépôt de souches alcalino-résistantes
Traiter les surfaces des matériaux cimentaires pour en diminuer la porosité permet d’améliorer la durabilité des matériaux en limitant l’intrusion d’agents agressifs. De Muynck et al. (2008) ont utilisé la souche Bacillus sphaericus ainsi qu’un mélange de bactéries uréolytiques (qui dégradent l’urée) pour traiter la surface d’échantillons de bétons et ont comparé les modifications des propriétés des échantillons avec les résultats obtenus par l’emploi de traitements conventionnels (traitements de surface et traitements d’étanchéité, (Figure 1-17). Ils ont ainsi pu observer une diminution plus importante de la perméabilité à l’eau et aux gaz des échantillons dans le cas de l’application de traitements conventionnels. Cependant, en comparant la diminution de la perméabilité entre les traitements réalisés avec des microorganismes, ils ont pu noter que les échantillons traités par B.sphaericus ont une perméabilité plus faible que celles des échantillons traités avec les mélanges de bactéries uréolytiques. Les analyses DRX ont montré que les microorganismes ont produits des CaCO3, quel que soit le traitement, les différences observées au niveau de la perméabilité à l’eau proviendraient donc du traitement lui-même : avec la culture pure, l’échantillon est immergé dans le bouillon bactérien, alors qu’avec le mélange de bactéries uréolytiques, une seule face de l’échantillon est exposée. Mais la diminution de la perméabilité similaire entre les deux traitements réalisés avec des microorganismes.
Incorporation de souches bactériennes dans une matrice protectrice
Wiktor and Jonkers (2011) ont préféré incorporer des spores de Bacillus alkalinitrilicus à une matrice époxy dans laquelle une source de calcium (de l’acétate de calcium) a été ajoutée. Ce mélange a été incorporé à des agrégats qui ont été utilisés pour produire des échantillons de béton renforcé par une barre en zinc. Après 56 jours de cure, la barre de zinc a été étirée mécaniquement jusqu’à formation de fissures (Figure 1-21). Les échantillons ont ensuite été plongés dans de l’eau et des analyses ont été régulièrement effectuées pour suivre l’évolution des fissures. Après 100 jours d’immersion, la largeur des fissures refermées des échantillons était plus importante (0,46mm) que celle observée chez les échantillons témoins (0,18mm) ne contenant pas de bactéries. La matière précipitée à la surface des fissures formées sur les échantillons contenant des bactéries a été identifiée par analyse dispersive en énergie (EDAX) comme étant du CaCO3. Une mesure de l’évolution de la concentration d’O2 à la surface des échantillons a montré que cette concentration était stable pour les témoins mais diminuait avec les échantillons contenant des bactéries. La diminution de cette concentration montre que l’O2 est consommé par les bactéries et donc qu’elles sont toujours vivantes, bien qu’incorporées dans la matrice cimentaire. Le comblement des fissures en surface et la vivacité des bactéries incorporées dans la matrice cimentaire montrent que l’emploi de la matrice époxy pour protéger les cellules bactériennes est une technique prometteuse. Toutefois, une amélioration de la technique est nécessaire pour rendre le comblement en profondeur totalement efficace. De même, des analyses de l’évolution de la résistance à la flexion et à la compression seraient intéressantes pour évaluer l’impact de la matrice sur les propriétés mécaniques des échantillons.
Estimation de la concentration bactérienne initialement introduite dans les traitements des matériaux
Cette estimation est réalisée pour savoir quelle quantité de bactéries a été introduite dans les traitements des matériaux. Pour cela, nous nous basons sur la courbe de croissance de la souche évoluant dans un milieu similaire à celui du traitement. Il s’avère qu’une souche bactérienne évolue de la même façon, tant qu’elle est cultivée dans un même milieu, dans les mêmes conditions (température, vitesse d’agitation…). C’est pourquoi la concentration cellulaire d’une souche, avant sa dilution au dixième dans un traitement pour les matériaux peut être déterminée. En effet, il suffit de lire sur la courbe de croissance de la souche à quelle concentration bactérienne correspond la durée d’incubation de la pré-culture et de la diviser par 10, car les pré-cultures sont toujours diluées au dixième dans les traitements.
Préparation des échantillons pour observations au MEB
Afin de déterminer si une couche composée de carbonates de calcium s’est déposée en surface des granulats traités, les échantillons sont coulés dans de la résine. Cette résine est préparée en mélangeant 25g de résine EpoFix resine (Struers) avec 3g de durcisseur EpoFix hardener (Struers). Une dizaine de grammes de GBR sont déposés dans trois moules UnoForm de 40mm de diamètre (Struers) et mis dans une enceinte de vide Epovac (Struers). Lorsque la pression est proche de 200 mbar, la résine est coulée par un tube sous vide. Une fois le moule rempli, le vide est doucement cassé et l’échantillon est étiqueté. Après 12 heures de prise de la résine, 3mm de sa partie inférieure sont sciés afin d’avoir une coupe transversale des granulats par la scie Accutom-50 (Struers). Un polissage permettant d’avoir une surface plane et lisse est réalisé par l’utilisation de la polisseuse Pedemax-S (Struers) en employant 5 draps de grains de taille décroissante. Les étapes détaillées de polissage sont :
– Drap 1 MD Piano 220 mm : à 180N, polissage à l’eau, pendant 45 secondes puis 1 minute. Entre chaque polissage du même drap, une étape de vérification du polissage, un rinçage et un séchage de l’échantillon sont réalisés.
– Drap 2 MD Piano 1200 µm : à 140N, polissage à l’eau, pendant 1min puis 2min30sec. Intensité (coups par seconde) 2θ (degrés)
– Drap 3 MD Largo 9µm : à 140N, polissage à l’éthanol avec un spray de diamant (Struers) toutes les 30 secondes. Polissage de deux fois 2min30sec.
– Drap 4 MD Dac 3µm : ce polissage est identique à l’étape précédente mais le drap doit être préalablement enduit d’une graduation de pâte de diamant DP-Paste P (Struers) et le spray doit être adapté au drap de 3µm.
– Drap 5 MD Nap 1µm : à 140N, drap enduit d’une graduation de pâte de diamant DP-Paste M (Struers), polissage à l’éthanol avec un spray de diamant toutes les 30 secondes pendant 2min.
L’observation de la surface des granulats sera aussi effectuée en les collants sur un support métallique par une pâte de carbone. Tous les échantillons sont métallisés au carbone (Leica EM CED030), puis sont observés au microscope électronique à balayage (XL 30, Philips et Quanta) en mode SE (électrons secondaires) et BSE (électrons rétrodiffusés).
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique
1. Introduction
2. Les granulats de béton
2.1. Origine et composition
2.2. Caractéristique des granulats recyclés
2.2.1. Valorisation des granulats issus de la déconstruction
2.2.2. Granulométrie, rugosité, angularité
2.2.3. Caractéristiques mécaniques
2.2.4. Porosité des granulats recyclés
2.3. Propriétés mécaniques des bétons incorporant les granulats issus de la déconstruction
2.3.1. Résistance à la compression
2.3.2. Contrainte à la rupture
2.3.3. Modules de rupture et d’élasticité
2.4. Traitement et réemploi des granulats
2.4.1. Les différents traitements des granulats issus de la déconstruction
2.4.1.1. Carbonatation naturelle
2.4.1.2. Traitements chimiques
2.4.1.3. Traitements biologiques
2.4.2. Conclusion
3. La production de carbonates de calcium
3.1. Paramètres impactant la formation des carbonates de calcium
3.2. La formation des carbonates de calcium par les bactéries
3.2.1. Les mécanismes de la biocarbonatation de CaCO3
3.2.2. Paramètres impactant la biocarbonatation
3.3. Conclusion
4. Utilisation de la bioprécipitation
4.1. Différents domaines d’étude
4.2. Différents supports étudiés
4.2.1. Les roches carbonatées
4.2.1.1. Apport de bactéries capables de biominéralisation
4.2.1.2. Application de molécules biologiques
4.2.1.3. Activation des bactéries capables de biominéralisation, in situ
4.2.1.4. Conclusion
4.2.2. Les sols et sables
4.2.2.1. Apport de micro-organismes capables de produire des CaCO3
4.2.2.2. Apport de milieu favorisant la croissance de micro-organismes capables de produire des CaCO3
4.2.2.3. Conclusion
4.2.3. Les matériaux cimentaires
4.2.3.1. Traitement de la surface de la matrice cimentaire par dépôt de souches alcalino-résistantes
4.2.3.2. Traitement de fissures formées sur la matrice cimentaire
4.2.3.2.1. Emploi de bactéries alcalino-résistantes
4.2.3.2.2. Incorporation de souches bactériennes dans une matrice protectrice
4.2.3.3. Incorporation des souches dans la matrice cimentaire
4.2.3.3.1. Emploi de bactéries alcalino et thermorésistantes
4.2.3.3.2. Incorporation de souches bactériennes dans une matrice protectrice
4.2.3.4. Conclusion
4.2.4. Conclusion
5. Objectifs de l’étude
6. Bibliographie
Chapitre 2 : Matériau et Techniques
1. Introduction
2. Techniques expérimentales
2.1. Mise en culture des souches bactériennes congelées
2.2. Dénombrements
2.2.1. Dénombrement bactérien sur cellule de Thoma
2.2.2. Dénombrement sur milieux gélosés
2.2.3. Suivis de croissance par densité optique
2.2.4. Dead/Live
2.2.5. Estimation de la concentration bactérienne initialement introduite dans les traitements des matériaux
2.3. Masses et rendements de production des CaCO3
2.3.1. Calcul des masses cumulées de CaCO3 dans les échantillons
2.3.2. Calcul des rendements de production de CaCO3
2.4. Quantification et qualification des CaCO3
2.4.1. Préparation des échantillons
2.4.2. L’ATG
2.4.3. La DRX
2.5. Préparation des échantillons pour observations au MEB
3. Les granulats de béton recyclés
3.1. Analyses menées sur les GBR
3.1.1. Mesure de l’absorption en eau
3.1.2. Analyses de la distribution de la taille des pores et de la surface spécifique
3.1.2.1. …par porosimétrie par intrusion au mercure
3.1.2.2. …par analyse gravimétrique d’adsorption de vapeur d’eau (DVS)
3.1.3. Mesure du pH de surface
3.2. Résultats obtenus et discussion
3.3. Conclusion
4. Bibliographie
Chapitre 3 : Bioprécipitation des carbonates de calcium sur GBR – Essais de faisabilité
1. Introduction
2. Sélection des souches bactériennes
3. Etude de la croissance bactérienne
3.1. Protocoles de suivis de croissance bactérienne
3.2. Résultats
3.3. Conclusion
4. Production de CaCO3
4.1. Croissance des souches en présence d’urée
4.2. Suivi de production de CaCO3 par B.halodurans et M.lactis en présence d’urée
4.2.1. Protocole
4.2.2. Résultats et discussion des productions de CaCO3 avec 5g/L d’acétate de calcium
4.2.3. Résultats et discussion des productions de CaCO3 avec 50g/L d’acétate de calcium
4.2.4. Conclusions
4.3. Comparaison des productions de CaCO3 en présence et absence d’urée
4.3.1. Protocole de production des carbonates de calcium en présence et absence d’urée
4.3.2. Résultats
4.3.3. Conclusion
4.4. Conclusion sur les essais de production de CaCO3 in vitro
5. Traitement des GBR
5.1. Protocole d’essai
5.2. Résultats
5.3. Discussion
5.4. Conclusions
6. Conclusions des essais de faisabilité
7. Bibliographie
Chapitre 4 : Bioprécipitation des carbonates de calcium sur GBR – Amélioration du procédé
1. Introduction
2. Adaptation des souches à l’eau de contact des GBR
2.1. Analyse de l’eau de contact
2.2. Mise en contact avec l’eau des GBR
2.3. Conclusion
3. Utilisation de matrice protectrice pour traiter les GBR
3.1. Etude de la survie de B. halodurans dans les matrices, au contact d’un milieu fortement alcalin
3.1.1. Essais en présence d’un milieu alcalin modèle
3.1.1.1. Production des matrices
3.1.1.2. Test de survie de B.halodurans dans la matrice d’agar, au contact d’un milieu alcalin
3.1.1.3. Test de survie de B.halodurans dans la matrice de silice, au contact d’un milieu alcalin
3.1.1.4. Résultats
3.1.2. Test de suivi de la survie de B.halodurans dans la matrice d’agar, au contact d’un mortier
3.1.3. Conclusions
3.2. Traitement des GBR avec B.halodurans protégé par matrice
3.2.1. Protocoles
3.2.1.1. Formulation des matrices synthétiques pour application sur GBR
3.2.2. Protocoles d’essais
3.2.3. Résultats obtenus et discussions
3.2.4. Conclusions
3.3. Conclusions
4. Adaptation pH 12
4.1. Sélection sur milieu gélosé
4.2. Conclusion
5. Rendements de production de CaCO3 à pH 12 sans urée
5.1. Protocoles
5.2. Résultats et discussions
5.3. Conclusion
6. Traitement des GBR avec B.halodurans adaptée à pH 12
6.1. Traitements par immersion
6.1.1. Prétraitement des GBR
6.1.2. Traitement des GBR
6.1.3. Résultats des traitements des GBR
6.1.4. Protocole – Augmentation de la teneur en acétate de calcium
6.1.5. Résultats de l’augmentation de la teneur en acétate de calcium
6.1.6. Conclusions sur les essais d’immersion
6.2. Essais par aspersions
6.2.1. Résultats
6.3. Conclusions
7. Conclusion
8. Bibliographie
Chapitre 5 : Amélioration de l’homogénéisation du dépôt de carbonates de calcium sur mortier
1. Introduction
2. Mise en place des essais
2.1. Production des mortiers
2.2. Production et application des traitements des disques
2.2.1. Préparation des pré-cultures bactériennes pour chaque traitement
2.2.2. Protocole d’immersion des disques
2.2.3. Protocoles de stress hydrique
2.2.3.1. Aspersion du traitement avec ou sans agar
2.2.3.2. Détermination des quantités nécessaires pour le protocole d’étalement du traitement à la surface des disques
2.3. Analyses menées
2.3.1. Rinçage des disques et analyse de l’eau de rinçage
2.3.2. Mesure de l’absorption en eau des disques et observations MEB
3. Résultats et discussion
4. Conclusion
5. Bibliographie
Conclusion générale
Annexes
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