Protection cathodique biogalvanique : une solution basée sur les piles à combustible microbiennes benthiques contre la corrosion des structures en béton armé en environnements marins

Biogalvanic cathodic protection : a benthic microbial fuel cell-based solution against corrosion of steel-reinforced concrete structures in marine environments

• Auteur / Autrice : Julie Dubuit
• Direction : Alexandra Bertron, Benjamin Erable
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 29/04/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Féron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Laurens, Pierangela Cristiani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Burkan Isgor, Ueli Angst

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton armé

Protection cathodique

Corrosion

Mots clés libres

Corrosion de l'acier dans le béton

Environnements marins

Protection cathodique

Anode microbienne

Corrosion induite par les chlorures

Béton armé

Corrosion of steel in concrete

Marine environment

Cathodic protection

Microbial anode

Chloride induced corrosion

Reinforced concrete

Résumé

La gestion de la corrosion dans les structures en béton armé (BA) est d’une importance capitale, afin derépondre aux défis de la réduction de l’impact environnemental des constructions, de la sécurité desutilisateurs et de coûts financiers. Les structures en BA semi-immergées en environnement marin sontparticulièrement vulnérables à la corrosion en raison de la présence d'ions chlorure qui accélèrent lescinétiques et augmentent les dommages causés, induisant une corrosion localisée et la formation deproduits de corrosion expansifs. Diverses techniques de maintenance électrochimique, telles que laprotection cathodique, sont efficacement utilisées pour prolonger la durée de vie des structures en BA.Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement d'une nouvelle technologie durable demaintenance préventive des structures en BA contre la corrosion en milieu marin, appelée ProtectionCathodique Biogalvanique (PCBG). Elle est dérivée de la technologie des Piles à CombustibleMicrobiennes (PCM), un convertisseur d'énergie bio-électrochimique capable d’extraire de l'énergie desfonds marins grâce à des micro-organismes électroactifs. Le métabolisme de ces micro-organismesconvertit l'énergie chimique en électricité extracellulaire. Le concept de la PCBG est basé sur une PCMdans laquelle la cathode est l'acier d'armature à protéger de la corrosion. Les électrons nécessaires à lamaintenance préventive sont fournis par une anode microbienne sédimentaire qui s'établit naturellementà partir des communautés microbiennes électroactives des sédiments marins.Des campagnes expérimentales ont été menées dans des réacteurs de laboratoire afin d'étudier desanodes microbiennes dans des conditions environnementales représentatives d'un environnement marin,dans le but de diminuer leur potentiel électrochimique. Diverses méthodes d’abaissement du potentiellibre des anodes microbiennes ont été explorées, notamment l’usage de divers matériaux d'électrodes etdes processus d'activation de surface, et l’exploration de différentes profondeurs de couches dans lessédiments.La PCBG a été testée en laboratoire, à grande échelle, sur une pile en BA de 3 mètres de haut, immergéedans un réservoir contenant un système sédimentaire marin réel recouvert d'eau de mer. Des anodesmicrobiennes ont été enfouies dans la couche de sédiments. Le système de PCBG a été connecté à unecentrale d'acquisition de données pour mesurer en continu la distribution du courant sur toute la hauteurde la pile et évaluer la performance des anodes microbiennes en tant que technologie de préventioncathodique respectueuse de l'environnement. L'effet de la surface d'acier et du nombre d'anodesmicrobiennes utilisées sur les courants échangés par le système a fait l'objet de recherches spécifiques.L'effet des conditions environnementales a été étudié en corrélant les variations de température et demarée avec l'évolution du courant mesuré.Les phénomènes biologiques, chimiques et physiques impliqués dans la PCBG ont été analysés afind'identifier les lois de comportement nécessaires à l’élaboration d’un modèle numérique robuste. Celuidéveloppé au cours de la thèse avec COMSOL Multiphysics® utilise la même géométrie que la pileexpérimentale construite en laboratoire. Les paramètres spécifiques au dispositif expérimental tels queles paramètres de transport dans le béton, les paramètres de Butler-Volmer reflétant le comportementélectrochimique de l'acier ou la courbe de polarisation des anodes microbiennes, ont été déterminésexpérimentalement.Enfin, des essais in-situ ont été réalisés pour évaluer le comportement de la PCBG dans des conditionsréelles. Plusieurs anodes microbiennes ont été enfouies à différentes profondeurs dans des sédimentsmarins. L'évolution du potentiel libre a été suivie en continu pendant plusieurs mois et a montré desvaleurs significativement plus basses que celles obtenues en laboratoire, ce qui représente un résultattrès prometteur

Managing corrosion in reinforced concrete (RC) structures is crucial, posing challenges in terms ofenvironmental impact, user safety, and financial costs. RC structures semi-immersed in marineenvironments corrode more severely due to the presence of aggressive chloride ions, which acceleratethe kinetics and increase the damage caused by corrosion. This results in localised corrosion andexpansive corrosion products. As the tidal zone of semi-immersed structures undergoes an alternatingwet-dry cycle, the transport of oxygen and chloride ions towards the reinforcing steel is favoured,increasing the damage caused to RC structures. Various electrochemical maintenance techniques, suchas impressed current cathodic protection (ICCP) and galvanic current cathodic protection (GCCP), havebeen effectively used to extend the service life of RC structures. However, these technologies havelimitations, particularly in marine environments.This PhD thesis focuses on developing of a new sustainable technology for the preventive maintenanceof reinforced concrete structures against corrosion in the marine environment, branded BiogalvanicCathodic Protection (BGCP). It is derived from the Microbial Fuel Cell (MFC) technology, which is abio-electrochemical energy converter. MFCs can extract energy from the seabed using electroactivemicroorganisms, whose metabolism converts chemical energy into extracellular electricity. The purposeof BGCP is to develop an MFC in which the cathode is the reinforcing steel to be protected fromcorrosion. The electrons required for preventive maintenance are supplied by a sedimentary microbialanode that naturally spontaneously forms from the electroactive microbial community in marinesediments.Experimental campaigns were conducted in laboratory reactors to investigate and optimise theperformance of microbial anodes under marine-like environmental conditions, using natural marinesediments. Some methods investigated for reducing the free potential of microbial anodes includedstudying various electrode materials, surface activation processes, and probing different layers deep inthe sediments.BGCP was tested in the laboratory, on the full-scale, on a 3-metre-high RC pier which was immersed ina tank containing a real marine sedimentary system topped with seawater, to replicate the exposureconditions of a semi-immersed structure in a marine environment. Microbial anodes were embedded inthe sediment layer. The BGCP system was equipped with a data acquisition system to continuouslymonitor the distribution of the prevention current throughout the pier’s height and evaluate theperformance of the microbial anodes as an environmentally friendly cathodic prevention technology.The aim of this scientific study was to understand the effect of steel surface area and the number ofmicrobial anodes used on the performance of the BGCP system, as well as to understand the impact ofenvironmental conditions on the behaviour of BGCP by correlating temperature and tidal variations withcurrent evolution.The biological, chemical and physical phenomena involved in the BGCP process were analysed in orderto identify the necessary behavioural laws to build a robust numerical model. The one developed duringthe thesis using COMSOL Multiphysics® followed the same geometry as the experimental pier built inthe laboratory. Parameters specific to the experimental concrete specimen were determinedexperimentally, such as transport parameters, Butler-Volmer parameters reflecting the electrochemicalbehaviour of steel and the polarisation curve of microbial anodes.Finally, field tests were conducted to evaluate BGCP’s efficiency under real-world conditions. Severalmicrobial anodes were buried at various depths in marine sediments. The evolution of the free potentialwas continuously monitored for several months and showed values significantly lower than thosemeasured in the laboratory, which is very promising.