Thèse soutenue

Pré-industrialisation d'un procédé de consolidation de sol par bio-calcification in situ

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Auteur / Autrice : Olivier Girinsky
Direction : Sabine Castanier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Microbiologie
Date : Soutenance en 2009
Etablissement(s) : Angers
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des bio-indicateurs fossiles et actuels (BIAF, UPRES EA 2644 Université d'Angers)

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Dans les pays à fort risque sismique, les fondations bâties sur un sous-sol trop meuble peuvent avoir des conséquences désastreuses. En effet, dans certain cas, les mouvements sismiques provoquent des tassements, en particulier lorsque les sous-sols granulaires sont saturés en eau. Ce phénomène dit de liquéfaction ou perte de la résistance des sols, résulte de la montée de la pression interstitielle de l'eau lorsque les vibrations sismiques tendent à tasser les grains les uns contre les autres. Pour éviter l'effondrement des édifices, le génie civil renforce la résistance mécanique des terrains plus ou moins perméables, en procédant à des injections de matériaux par le biais de forages. Afin d'améliorer les procédés de consolidation des sols, une nouvelle technique compte apporter une réponse en utilisant des cristaux de carbonate de calcium précipités in situ par voie microbiologique. La précipitation bactérienne du carbonate de calcium peut s'accomplir par l'hydrolyse de l'urée, via l'enzyme uréase. Ceci conduit à l'alcalinisation du micro environnement, permettant la précipitation d'ions carbonates en présence d'ions calcium. Sporosarcina pasteurii a été choisi car c'est un micro-organisme alcalinophile, non pathogène et détenteur de concentration intracellulaire élevée en uréase. L'objectif était d'utiliser industriellement ce micro-organisme pour son pouvoir calcifiant, afin d'améliorer la cohésion des grains de sol, en milieu saturé, sans en obturer la porosité. Trois axes de recherche menés conjointement, ont été définis pour ce travail de préindustrialisation du procédé de bio consolidation in situ. Le premier axe a été l'obtention d'un milieu de production de biomasse, industriel, permettant de stabiliser l'accession aux fortes activités enzymatiques. Cette étape est indispensable du fait des exigences d'application du procédé sur le chantier, éloignées des conditions physiologiques de la bactérie S. Pasteurii. Il a été vital de décoder les modalités et la composition d'un milieu de culture industriel propre à favoriser la production de S. Pasteurii et d'uréase. Ce travail a établi les principaux paramètres de suivi de culture et leur signification physiologique. Il a permis d'étudier la régulation de la synthèse de l'enzyme uréase et de proposer un modèle de régulation chez S. Pasteurii. Le second aspect de recherche s'est attaché à créer une solution calcifiante à partir d'un mélange d'urée et de sel de calcium. Des colonnes de sable fin ont été utilisées pour évaluer l'impact, sur la bio calcification, de deux sources de sel de calcium, le nitrate et le chlorure de calcium. Les résultats mettent en avant, l'existence d'une réduction de la vitesse d'hydrolyse en présence d'ion calcium et l'absence de différence significative de résistance à la compression (RC) entre les deux sels. D'autre part, lorsque les activités enzymatiques d'hydrolyse sont moindres, le processus de bio calcification, paraît plus stable et efficace. De nombreuses images au microscope électronique à balayage (MEB) ont confirmé ces résultats. Enfin, une amélioration du procédé vient de la proposition d'une solution calcifiante, additionnée de très faibles quantités de matière organique, afin de favoriser l'élongation des cristaux de carbonate de calcium dans les zones inter-granulaires. Le troisième axe a été la mise en place pour une application en chantier, d'un protocole d'injection en colonne de sable fin d'une suspension de biomasse suivie d'une solution calcifiante. Ces travaux ont permis d'identifier, une corrélation entre les zones de dépôt de biomasse et les portions de sable consolidés, ainsi que les principaux facteurs responsables de l'hétérogénéité de la bio calcification. La densité cellulaire et la granulométrie bactérienne définissent par filtration mécanique et physicochimique un premier profil de distribution de la biomasse en milieu poreux. En fonction du niveau d'activité enzymatique et de la qualité de la suspension bactérienne injectée, la solution calcifiante interagit en précipitant sous forme de flocs et en amenant un changement local de viscosité. Pendant l'injection, l'écoulement des fluides redéfinit le premier profil de biomasse par un lessivage au sein du système poreux. La granulométrie du sable et la vitesse d'injection influencent également le lessivage. Grâce à ces travaux, l'hétérogénéité de la bio-calcification a été diminuée en intégrant dans le protocole d'injection, des temps d'arrêt d'injection pour l'immobilisation des fluides.