Le traitement de toiture : identification des pratiques, des biocides utilises et de leur toxicite

Altérations des matériaux de toiture non métalliques au cours de leur vie en œuvre 

La toiture est un élément critique d’une habitation. Elle doit pouvoir être parfaitement imperméable, tout en laissant « respirer » la maison. Pour cela, de nombreux matériaux peuvent être utilisés, correspondant chacun à des spécificités régionales particulières (couleurs, matériaux, forme). Une toiture fait également partie du gros œuvre de l’habitat et doit donc être conçue pour résister aux altérations du temps durant une longue période. En effet, durant toute sa vie en œuvre, la toiture est directement soumise aux agressions extérieures. Celles-ci sont de plusieurs natures:

• Physiques : Principalement dues à la température et à l’ensoleillement,
• Chimiques : Liées aux attaques acides de la pluie ou des déjections animales par exemple,
• Biologiques : Engendrées par le développement de végétaux et de bactéries à la surface du matériau.

Les altérations biologiques ont été étudiées depuis quelques années, au niveau des façades et de la toiture (Gaylarde et al., 2003; Gaylarde and Gaylarde, 2005; Barberousse, 2006). Les travaux de (Gaylarde et al., 2003; Gaylarde and Gaylarde, 2005) ont montré que la colonisation par les microorganismes (notamment les bactéries nitrifiantes telles que Nitrobacter ou Nitrosomonas) d’une surface en béton engendre une solubilisation plus rapide du calcium présent dans ce béton. Ceci dégrade la qualité du béton et diminue donc sa résistance au temps. Les auteurs ont également montré qu’il existe une différence régionale importante au niveau des microorganismes se développant sur les surfaces urbaines. Par exemple, en Europe les organismes majoritaires sont les algues, tandis qu’en Amérique Latine il s’agit des cyanobactéries. Le travail de thèse de (Barberousse, 2006) a permis de comprendre comment les façades des bâtiments peuvent être colonisées par des organismes. Il a ainsi été montré que cinq types d’organismes sont responsables de la colonisation et donc de la dégradation de la façade : les bactéries, les algues et cyanobactéries, les champignons, les lichens et les mousses (Figure 1). Cette colonisation naturelle des supports bâtis, aussi appelée verdissement pour les toitures, s’explique majoritairement par le dépôt de microorganismes par le vent ou la pluie, phénomène connu depuis de nombreuses années et décrit par (Brown et al., 1964).

Toujours d’après (Barberousse, 2006), les bactéries sont les premiers organismes à coloniser la façade. La production d’acide engendre la dissolution de calcaire en surface, comme précédemment expliqué (Gaylarde et al., 2003; Gaylarde and Gaylarde, 2005), ce qui peut aller jusqu’à la fissure du matériau. Les algues et les cyanobactéries sont liées aux dépôts humides. Les effets peuvent être esthétiques (coloration du support sous forme de traînées noires ou rouges), voir même physique du fait d’une élévation de l’humidité du béton, pouvant entraîner sont éclatement en cas de gel important. Les champignons sont issus de divers dépôts atmosphériques, et engendreront des effets similaires aux bactéries. Les lichens résultent d’une symbiose entre les algues et les champignons. Certains lichens vont pouvoir pénétrer la façade par la sécrétion d’acides qui vont éroder la surface.

Enfin les mousses vont avoir un fort impact esthétique, en plus de favoriser le développement des organismes précédents. L’effet principal des mousses est une dégradation esthétique de la façade.

Le développement de ces organismes est influencé par de nombreux paramètres, notamment l’humidité et la température. Typiquement, le verdissement des toitures est favorisé par des périodes tièdes et humides. De plus, les propriétés de la surface colonisée jouent un grand rôle dans le verdissement. En effet, un support rugueux va permettre aux organismes de mieux se fixer, et la porosité du matériau aura pour rôle de garder l’humidité plus longtemps. C’est ainsi que le Centre Technique des Matériaux Naturels de Construction (CTMNC) a montré qu’un traitement de surface, à la fabrication, de certaines tuiles permettait de limiter son humidification, et par conséquent son verdissement. Dans le cas des toitures, la présence de microorganismes peut poser un certain nombre de problèmes spécifiques : l’aspect esthétique de la toiture peut être nettement impacté, notamment dans le cas d’une forte présence d’algues et de champignons .

Les conséquences de la présence de végétaux peuvent également être d’ordre technique. Le (CTMNC, 2011) souligne ainsi que les organismes vont augmenter la teneur en eau des tuiles en limitant les phénomènes d’évaporation. En hiver, la présence de cette humidité au sein des tuiles pourra créer une plus grande sensibilité au gel, pouvant aller jusqu’à l’éclatement de tuiles lors de grands froids. Les amas de mousses les plus épais peuvent avoir pour effet un soulèvement des tuiles, entrainant des fuites. Enfin, les noues et les gouttières peuvent être obstruées par la présence de blocs de mousses se détachant du toit.

Les professionnels du domaine (fabricants de tuiles et spécialistes du nettoyage) ont donc cherché des moyens de lutte contre les attaques biologiques sur les tuiles. Deux types de techniques existent : le traitement préventif, qui permet de limiter le développement des microorganismes ; et le traitement curatif, visant à éliminer les végétaux déjà présents sur la surface de toiture.

En ce qui concerne le traitement préventif, deux approches ont été employées. La première repose sur le développement de tuiles peu sensibles au développement biologique. Pour cela, un traitement de surface est mis en œuvre durant la fabrication. Ce revêtement de surface vise à limiter la présence d’eau dans le matériau, qui est un facteur favorisant le verdissement. Certains de ces traitements sont mis en place depuis plusieurs années. Nous pouvons citer le siliconage, l’engobage ou encore l’émaillage. L’ensemble de ces traitements induisent la création d’un film hydrophobe de surface, créant un effet perlant de l’eau, bloquant sa pénétration. D’autres types de traitement sont plus innovants, et font encore l’objet aujourd’hui d’études approfondies au CTMNC. Le but est de conférer aux tuiles une propriété de « superhydrophobie », observable à l’état naturel sur la feuille de lotus. Enfin, nous pouvons noter que de très récentes recherches portent sur le développement de surfaces biocides (Fassier et al., 2009). Le but est ici d’inhiber le développement biologique, par une action chimique. Ceci peut être réalisé par l’utilisation d’oxydes de titane, de fer, de zinc ou d’étain qui, sous l’action du soleil, vont pouvoir dégrader les microorganismes. De toutes récentes études ont porté sur l’utilisation de nano particules d’argent en tant que biocides inclus notamment dans les peintures (Monteiro et al., 2009; Kaegi et al., 2010). La deuxième approche utilisée dans les traitements préventifs est l’utilisation d’un matériau biocide directement sur la toiture. Nous pouvons citer par exemple la mise en place de lames de cuivres sur le faîtage de la toiture. En effet le cuivre est connu pour être un biocide puissant.

Le traitement curatif fait quant à lui intervenir un nettoyage de la surface de toiture pour restaurer son état initial. Ce traitement est effectué durant la vie en œuvre du matériau, après sa colonisation. C’est sur ce dernier type de traitement que porte cette étude.

Modes d’entretien curatifs des matériaux de toiture

Obtention des informations auprès des professionnels 

Pour mettre en évidence les modes d’entretien employés dans la lutte contre le verdissement des toitures, une enquête téléphonique a été menée auprès de professionnels du secteur, en Ile de France (Laurent, 2010). Celle-ci a visé à :
• Identifier les principaux traitements de toiture et les hiérarchiser,
• Evaluer l’importance de cette pratique en Ile de France et les clients majoritaires (particuliers, entreprises ou collectivités),
• Mettre en évidence les pratiques liées aux différents traitements (type de produit majoritaire et dosage, mise en œuvre, préconisations apportées en lien avec la récupération d’eau de ruissellement,…) .

Pour cela, un questionnaire a été construit, divisé en 5 grandes parties portant chacune sur un aspect de l’activité. Afin que cette enquête ne soit pas rébarbative pour le professionnel sondé, la plupart des questions ont été de type QCM (Questionnaire à Choix Multiples).

Du fait de la disponibilité limitée des professionnels, nous avons privilégié un contact téléphonique. De même, lors de la rédaction des questions, nous avons porté attention à ce que la longueur de l’entretien soit assez courte pour ne pas décourager les sondés. La durée des appels a donc été comprise entre 4 et 20 minutes. L’ensemble des résultats obtenus est à considérer comme un retour d’expérience d’un nombre limité de professionnels sur les produits. Ceci est donc subjectif, et doit être manipulé avec précaution. Cependant, cette approche est tout à fait intéressante dans le but d’avoir une vue d’ensemble du marché de traitement de toiture et d’orienter le recensement des produits de traitement de toiture et d’en valider les résultats.

Résultats de l’enquête 

Détails des entreprises interrogées

Dans un premier temps, les professionnels franciliens ont été listés à l’aide d’un annuaire électronique, et de prospectus publicitaires distribués dans les boîtes aux lettres. La liste totale a compté 112 coordonnées. Grâce au démarchage téléphonique, 30 entreprises ont répondu à l’enquête. Celles-ci sont principalement localisées dans les départements de la grande couronne francilienne, à savoir la Seine et Marne, les Yvelines, l’Essonne et le Val d’Oise. Néanmoins 5 entreprises interrogées (17%) sont localisées dans les départements de Paris, de la Seine Saint Denis et des Hauts de Seine. Cette répartition géographique hétérogène peut s’expliquer par le simple fait que la plupart des maisons individuelles (et par conséquent les clients potentiels) en Ile de France sont concentrées dans la grande couronne. Les départements de la petite couronne et de Paris comptent beaucoup plus d’habitations collectives, à toiture terrasse ou métalliques, et par conséquent pas ou peu traités contre les mousses. En termes de taille, les entreprises ayant participé à l’enquête sont majoritairement de Très Petites Entreprises (TPE) .

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I. Contexte de la thèse
I.1 Prise en compte des eaux pluviales comme une problématique environnementale en ville
I.2 Règlementation en lien avec notre cas d’étude
II. La thèse au sein du projet Qualico et du Programme OPUR
III. Objectifs de la thèse et plan du manuscrit
III.1 Objectifs du travail de thèse
III.2 Structuration du manuscrit
PARTIE I : LE TRAITEMENT DE TOITURE : IDENTIFICATION DES PRATIQUES, DES BIOCIDES UTILISES ET DE LEUR TOXICITE
I. Remise en contexte et objectifs
II. Altérations des matériaux de toiture non métalliques au cours de leur vie en œuvre
III. Modes d’entretien curatifs des matériaux de toiture
III.1 Obtention des informations auprès des professionnels
III.2 Résultats de l’enquête
III.2.1 Détails des entreprises interrogées
III.2.2 Types de traitements, produits utilisés et conditions de mise en œuvre
III.2.3 Clientèle et motivation du traitement
III.2.4 Traitement de toiture et récupération des eaux de ruissellement
III.3 Conclusion
IV. Recensement des produits de traitement et identification des substances actives
IV.1 Produits de nettoyage
IV.2 Produits anti-mousses
IV.3 Produits imperméabilisants
IV.4 Peintures
IV.5 Limites des informations fournies par les fabricants
IV.6 Choix de la pratique et des composés pour la suite de l’étude
IV.7 Le benzalkonium
IV.7.1 Propriétés physico-chimiques
IV.7.2 Propriétés biocides
IV.7.3 Toxicité et écotoxicité
IV.7.4 Source et devenir dans l’environnement
IV.7.5 Utilisation du benzalkonium dans les produits de démoussage de toiture
V. Conclusion de la Partie I
PARTIE II : MISE AU POINT DE LA TECHNIQUE D’ANALYSE DU BENZALKONIUM
I. Objectifs du protocole analytique en liaison avec les objectifs du projet
II. Bibliographie
II.1 L’analyse du benzalkonium : détection et quantification
II.2 Extraction du benzalkonium
II.2.1 Extraction de la fraction dissoute
II.2.2 Extraction de la fraction particulaire
II.3 Choix des molécules analysées
III. Mise au point de la partie chromatographie de l’analyse
III.1 Molécules et solvants utilisés
III.2 Préparation des solutions étalons
III.3 Paramètres utilisés au niveau du LC-MS/MS
III.4 Résultats de l’optimisation
III.4.1 Optimisation du spectromètre de masse
III.4.2 Séparation des composés
III.4.3 Quantification des échantillons
III.4.4 Limites de détection et de quantification de la LC-MS/MS
III.5 Suivi qualité de la méthode
IV. Développement et optimisation de l’extraction
IV.1 Phase dissoute
IV.1.1 Sélection de la cartouche d’extraction
IV.1.2 Optimisation du protocole SPE
IV.1.2.1 pH de l’échantillon
IV.1.2.2 Chargement de l’échantillon sur la cartouche SPE
IV.1.2.3 Linéarité de l’extraction
IV.1.3 Protocole SPE final et rendement
IV.1.4 Analyse d’échantillons très contaminés
IV.2 Phase particulaire
IV.2.1 Matériels et méthodes de la mise au point de l’extraction
IV.2.2 Choix du solvant d’extraction et premiers résultats
IV.2.3 Optimisation du protocole d’extraction particulaire
IV.2.4 Rendement de l’extraction particulaire
V. Calcul des LODs et LOQs du protocole global
V.1 LOD et LOQ de l’extraction SPE
V.2 LOD et LOQ de l’extraction particulaire
VI. Protocole en final utilisé en routine
VII. Incertitudes analytiques
PARTIE III : ETUDE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT AU RUISSELLEMENT DU BENZALKONIUM EPANDU SUR UN TOIT
CHAPITRE I : SUIVI A PETITE ECHELLE DE L’EMISSION DE COMPOSES PAR LE BATI – SYNTHESE
BIBLIOGRAPHIQUE
I. Etat des connaissances sur la contamination des eaux de ruissellement par les matériaux et produits d’entretien du bâti
I.1 Émission de métaux par les matériaux urbains
I.1.1 Émission de métaux par les toitures métalliques
I.1.2 Émission de métaux par le béton
I.1.3 Émission de métaux par les peintures
I.2 Émissions de molécules organiques par les matériaux urbains et produits d’entretien
I.2.1 Émissions de composés organiques par les bitumes et les goudrons
I.2.2 Émissions de micropolluants organiques par les toitures et les façades
I.2.3 Lessivage de pesticides épandus sur des surfaces imperméables
II. Méthodologies d’étude
II.1 Essais de lixiviation : analyses laboratoire en conditions contrôlées
II.2 Essais à l’échelle pilote : analyses in situ
III. Identifications des dynamiques d’émission des contaminants
III.1 Dynamiques d’émissions observées lors d’essais de lixiviation en conditions contrôlées
III.2 Dynamiques d’émission observées in situ
IV. Conclusion
CHAPITRE II : METHODOLOGIE MISE EN ŒUVRE POUR LE SUIVI DU LESSIVAGE DU BENZALKONIUM A PETITE ECHELLE
I. Réflexions sur le mécanisme de lessivage du benzalkonium après un traitement
I.1 Processus mis en jeu dans le devenir du composé
I.2 Création du stock lors de l’épandage du produit
I.3 Evolution du stock durant la pluie
I.4 Evolution du stock lors du séchage
I.5 Evolution du stock par temps sec
II. Objectifs des expérimentations et méthodologie générale
II.1 Ordres de grandeur des flux émis dans le ruissellement à l’échelle d’une année
II.2 Compréhension des facteurs influençant le lessivage
CONCLUSION GENERALE

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