Développement de matériaux excavables décarbonés composés de granulats de béton recyclés consolidés par bio-carbonatation en substitution du liant

Description du projet et du poste

Le développement des véhicules électriques et des véhicules autonomes nécessite d’équiper les infrastructures avec différents types de capteurs, et l’installation, si nécessaire, de systèmes de recharge inductifs ou conducteurs. Les entreprises proposent également de nouvelles solutions d’éclairage et de signalisation dynamique intégrées aux infrastructures et enfin, des solutions de récupération d’énergie via les infrastructures se développent. Toutes ces évolutions technologiques complexifient les infrastructures routières et la construction modulaire apparaît comme une solution d’avenir. En effet, ce mode constructif permet la préfabrication en usine d’éléments intégrant tous les éléments fonctionnels nécessaires. En milieu urbain, la modularité de l’ouvrage permet également l’accès aux réseaux sous-jacents, ce qui facilite la maintenance. C’est par exemple l’objet des trottoirs urbains démontables développés à base de dalles de béton hexagonales depuis plusieurs années à l’Université G. Eiffel [1]. Pour y parvenir, la plateforme sur laquelle sont posés les éléments modulaires doit être facilement creusée et donc de faible résistance, tout en ayant une capacité portante suffisante pour supporter le trafic. A priori, ces deux propriétés sont antinomiques. Cependant, l’Université Gustave Eiffel a développé depuis quelques années une méthode de conception de mélanges de tels matériaux à base de ciment à travers les thèses de Morin (2009) et Gennesseaux (2015), [2,3]. Ces matériaux présentent deux inconvénients d’un point de vue environnemental : ils contiennent du ciment dont la fabrication rejette du C02 (le ciment représente environ 7 % des rejets globaux de C02) et ils consomment des granulats naturels non disponibles en milieu urbain et nécessitent des transports.

Les voiries urbaines classiques sont très régulièrement ouvertes pour l’entretien du réseau. Le remblayage de ces tranchées se fait généralement avec des matériaux granulaires non liés qui sont compactés. Ce compactage entraîne des nuisances sonores importantes lors des travaux urbains et n’évite souvent pas les tassements post-compactage, qui provoquent des inconforts, des bruits de roulement et sont préjudiciables à l’esthétique des centres urbains. Des matériaux autocompactants à base de ciment existent mais sont rarement utilisés car il est difficile de contrôler le caractère excavable à long terme de ces matériaux.

Ces problèmes sont d’autant plus marqués que, dans le secteur routier, les volumes concernés sont importants. Il est donc important de pallier ces inconvénients et de proposer un système constructif excavable décarboné.

Pour cela, les objectifs de cette thèse sont :

• Remplacer les granulats naturels par des granulats de béton recyclés ;
• Remplacer le liant cimentaire par des carbonates de calcium précipités par des micro-organismes.
  La réutilisation des granulats de béton recyclés est une solution pour réduire les déchets dans le secteur de la construction, mais sa réutilisation dans le béton neuf reste modérée.

La capacité des bactéries à induire la formation de carbonate de calcium a plusieurs applications :

• l’auto-cicatrisation du béton [4] : les bactéries introduites sous forme de spores dans le béton sont activées au niveau des microfissures (<1 mm) et comblent ces fissures ;
• rénovation de monuments en pierre naturelle [5] : les bactéries forment un film protecteur de CaCO3 à la surface de la pierre ;
• consolidation du sol [6] : les bactéries sont injectées dans le sol et le carbonate de calcium formé cimente les grains ;
• amélioration des granulats de béton recyclés : l’objectif est de réduire la porosité des granulats recyclés en formant un biofilm carbonaté à leur surface. Cette application est encore dans le domaine de la recherche, notamment à l’Université G Eiffel [7,8].
• La formation de briques avec l’utilisation de CaCO3 pour lier les grains de sable entre eux [9,10].

Ce travail s’inscrit donc dans le développement d’une mobilité innovante, plus respectueuse de l’environnement et plus impliquée dans l’économie circulaire. Les applications pourraient être dédiées dans un premier temps au marché existant des tranchées urbaines puis aux chaussées modulaires si la technique se développe.

Les clés scientifiques à surmonter dans ce travail sont multiples :

• identification de bactéries adaptées aux granulats recyclés
• contrôle du développement bactérien rapide et de la calcification sur l’épaisseur de la couche de matériau en laboratoire ;
• caractérisation de la liaison intergranulaire par les bactéries et identification des facteurs d’influence ;
• optimisation de l’excavabilité/capacité portante obtenue ;
• adaptation du processus de laboratoire au site ;
• analyse du cycle de vie de la solution retenue et conclusion sur l’intérêt technique et social de la solution.

Les références

[1] http://cud.ifsttar.fr//

[2] Gennesseaux E., Sedran T., Torrenti JM et Hardy M., Formulation de matériaux excavables optimisés traités au ciment à l’aide d’un nouvel appareil de test de poinçonnage, Mater Struct, 51(3):56, 21 p, (2018). https://doi.org/10.1617/s11527-018-1184-1

[3] Morin C., Sedran T., De Larrard F., Dumontet H., Murgier S., Hardy M., Dano C. (2018) Développement d’un test d’excavabilité des matériaux de remblai : études numériques et expérimentales, Canadian Geotechnical Journal, 55 (1), pp. 69-78, https://doi.org/10.1139/cgj-2016-0534

[4] https://www.basiliskconcrete.com/en/

[5] http://amonit.fr/fr/accueil

[6] https://www.soletanche-bachy.com/fr/solutions/techniques/ground-improvement/biocalcis

[7] Medevielle M., Gueguen-Minerbe M., Sedran T., Adaptation d’une souche bactérienne alcalophile, induisant une précipitation de CaCO3, pour améliorer la qualité des granulats de béton recyclés | (Utilisation d’une souche bactérienne alcalino-résistante productrice de CaCO3 pour l’amélioration de la qualité des granulats de béton recyclé), Matériaux & Techniques, EDP Sciences, 2016, 104 (5),506, doi : 10.1051/mattech/2017020 .

[8] Heriberto Martinez Hernandez, Marielle Gueguen Minerbe, Yoan Pechaud et Thierry Sedran, Évaluation de la capacité des bactéries alcalophiles à former un biofilm à la surface des mortiers à base de ciment Portland, Matériaux & Techniques, 108 3 (2020) 304, Publié en ligne : 18 novembre 2020, DOI : 10.1051/mattech/2020032

[9] Kumar, JPPJ, Rajan Babu, B., Nandhagopal, G., Ragumaran, S., Ramakritinan, CM et Ravichandran, V. (2019). Synthèse in vitro de bio-briques à partir de bactéries uréolytiques marines isolées localement, comparaison avec des roches calcaires naturelles. Ingénierie écologique, 138, 97-105. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2019.07.017

[10] Lambert, SE et Randall, DG (2019). Fabriquer des bio-briques en utilisant des précipitations de carbonate de calcium induites par des microbes et de l’urine humaine. Recherche sur l’eau, 160, 158-166. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.069

Encadrement de thèse

Directrice de thèse : Marielle Gueguen – Université Gustave Eiffel, campus de Marne La Vallée Laboratoire MAST/CPDM

Encadrant : Thierry Sedran – Université Gustave Eiffel, campus de Nantes Laboratoire MAST/MIT

Encadrant : Gennesseaux Eric – Université Gustave Eiffel, campus de Nantes Laboratoire MAST/MIT

Localisation de la thèse

La thèse se déroulera au laboratoire MAST/CPDM du campus de Marne La vallée ( https://cpdm.univ-gustave-eiffel.fr/ ) pour la première année pour les aspects microbiologiques et au laboratoire MAST/MIT sur le Campus de Nantes ( https://mit.univ-gustave-eiffel.fr/ ) depuis deux ans pour les aspects caractérisation mécanique des matériaux routiers.