Construire pour durer et moins polluer : les matériaux à l’épreuve du temps

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Maths・Ingénierie

Construire pour durer et moins polluer : les matériaux à l’épreuve du temps

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Le béton pourrait-il mieux vieillir ? Plus durable serait-il plus vert ? Objectif de chercheurs toulousains :  anticiper les phénomènes de détérioration des ouvrages de génie civil, en accélérant les effets du temps en laboratoire.

Par Valérie Ravinet, journaliste.

Pour l’industrie de la construction, l’enjeu environnemental est de taille. Considérée parmi les plus polluantes de la planète, elle représente à elle seule près de 20 % des émissions de gaz à effet de serre dans le monde, selon le dernier rapport du Service de la donnée et des études statistiques (SDES). Habitations, ouvrages de production d’énergie, ponts, barrages, silos agricoles, réseaux d’assainissement… C’est le béton que l’on utilise dans la plupart des cas. Pourtant, ses effets négatifs sur l’environnement sont systématiques, aux étapes de fabrication, d’exploitation et de déconstruction. Le laboratoire Matériaux et durabilité des constructions (LMDC) consacre ses recherches à la réduction de son impact sur l’environnement et au développement de matières de substitution.

Matériaux soumis à des conditions extrêmes en laboratoire

Chlorures, sulfates, composés chimiques agressifs dans l’eau comme dans l’air, gel, sels de déverglaçage, phénomènes de ruissellement : toutes les structures en génie civil sont soumises à des agressions multiples et potentiellement sévères. Dans les essais en laboratoire, les chercheurs anticipent ces agressions. Ils simulent les attaques auxquelles les ouvrages sont soumis dans leur environnement, en intensifiant et en accélérant les phénomènes agressifs.

« Par exemple, la carbonatation du béton, qui se produit sous l’effet du CO2présent dans l’air, est optimale dans un environnement d’humidité relative de 60-70 %. Nous recréons ces conditions, avec des concentrations très élevées en CO2 »,

explique Alexandra Bertron, enseignante-chercheuse à l’INSA Toulouse, au LMDC.

Prévenir le vieillissement des ouvrages

L’objectif du travail en laboratoire est d’accélérer les phénomènes pour anticiper les comportements des ouvrages.

« Expérimentalement, on met en œuvre des essais pour accélérer les agressions. Par le calcul, nous comprenons comment le matériau réagit dans son environnement. Ainsi, nous pouvons projeter sa tenue sur plusieurs dizaines d’années : son comportement mécanique mais aussi sa capacité à constituer une barrière : l’étanchéité sur le long terme pour une structure de méthanisation, la capacité à retenir les composés radioactifs dans une structure dédiée au nucléaire... », détaille la chercheuse.

L’exemple de l’assainissement est édifiant

En France, les réseaux représentent 300 000 kilomètres de canalisations et un patrimoine de 70 milliards d’euros. Construits dans les années 1950, ils arrivent actuellement en fin de vie. Leur réhabilitation va s’avérer nécessaire ; un coût estimé à un milliard d’euros par an dans les prochaines années. Dans les pays émergents, c’est la mise en œuvre du droit universel à l’assainissement, consacré en 2010 par l’ONU, qui est en jeu. En 2005, l’OMS estimait à 2.6 milliards le nombre d’êtres humains n’ayant pas accès à un système d’assainissement. 

« Pour éviter la structure « jetable », il faut être capable de proposer des matériaux qui serviront pour réaliser des constructions durables à des coûts acceptables »,

souligne la chercheuse.

Que se passe-t-il dans nos égouts ? « Dans les eaux usées d’un réseau d’assainissement, on trouve diverses matières : de l’eau, des sédiments, des matières organiques… Ce sont des endroits dépourvus d’oxygène dans lesquels les micro-organismes utilisent les sulfates et prolifèrent naturellement. Ils produisent un gaz appelé H2S, toxique pour l’homme comme pour le béton. À l’odeur d’œuf pourri, l’H2S est une forme réduite de soufre privé d’oxygène – qui offre un milieu favorable au développement de micro-organismes producteurs d’acide sulfurique très agressif pour le béton », nous explique Alexandra Berton.

Le test Biogenic acid attack on concrete, développé depuis 2014 dans le cadre d’un partenariat Toulouse Biotechnology Institute (TBI)-LMDC, reproduit les phénomènes qui surviennent dans un réseau. « On utilise un consortium diversifié de bactéries, comme il en existe dans la nature, qu’on étale sur le béton. L’attaque progressive est accélérée, le temps de séjour des nutriments consommés par les bactéries sur la surface est maximisé. On passe d’un pH de 12, pH initial du béton, à un pH de 2,5, en trois semaines, quand cela prendrait deux à trois ans dans la réalité. Le test accélère la production d’acide par les micro-organismes et donc la descente en pH du matériau ». Il est alors possible d’évaluer les modifications du matériau au cours du temps et de simuler par le calcul sa durée de vie.

Les chercheurs entrent dans la norme

« Les rédacteurs des normes ne sont pas toujours au fait des avancées de la recherche. C’est pourtant l’intérêt même de l’industrie que de les connaitre ! », s’alarme Alexandra Bertron. Les travaux, basés sur des normes qui doivent traduire la réalité. Or celles-ci s’avèrent souvent trop simples, voire fausses ». En effet, les préconisations actuelles, fondées uniquement sur des réactions chimiques, comme le taux de concentration en H2S, sont insuffisantes : elles ne tiennent pas compte de la résistance propre du matériau.

« On impose une concentration, on minimise l’action du micro-organisme sur le matériau. Or, les tests biologiques sont une nécessité ! ».

La chercheuse milite au sein d’un comité de normalisation européen pour que ce type d’essai soit reconnu, avec l’appui de plusieurs industriels. Depuis plusieurs années, le laboratoire Matériaux et durabilité des constructions (LMDC) travaille à l’introduction des essais biologiques dans les normes. Outre sa méthode, le laboratoire promeut l’approche mise au point par l’Université de Hambourg. Objectif : faire évoluer les normes pour qu’elles prennent mieux en compte les agressions qui se produisent réellement dans les différentes situations et structures.

Mis en perspective : ces travaux de recherche vont permettre de rendre le béton plus durable et, d’une certaine manière, moins polluante. Une contribution structurante au bien-être de la planète !

Alexandra Bertron, une chercheuse en béton

Portrait A Bertron

« Je suis tombée dans la chimie du ciment en faisant mes études »,

confie l’enseignante-chercheuse Alexandra Bertron.

La jeune femme n’imaginait pas devenir enseignante en intégrant l’École normale supérieure de Cachan. Pourtant, « dès le premier cours, on nous a parlé de la recherche et j’ai su que c’était ma voie. J’avais choisi la filière génie civil et j’ai été littéralement fascinée par le béton : un matériau riche, aux multiples réactions chimiques, utile pour la construction d’ouvrages majeurs, et dont les enjeux applicatifs sont considérables », s’enthousiasme-t-elle.

Alors qu’elle consacre sa thèse à la durabilité des bétons dans l’environnement agricole, elle découvre un milieu complexe qui aiguise sa curiosité. Alexandra Bertron travaille notamment sur l’attaque des bétons par les micro-organismes contenus dans les effluents agricoles. Après deux ans de recherche en laboratoire, elle part sur le terrain et dépose des échantillons dans les fermes, qu’elle analyse après quelques semaines. « Une vraie surprise », raconte la chercheuse. « Rien à voir entre la situation d’étude en laboratoire, basée sur les composés chimiques, et la réalité dans les fermes, où les micro-organismes jouent un rôle considérable dans l’attaque du béton ! ». La jeune chercheuse frappe à la porte des chercheurs en microbiologie et consacre dix ans à convaincre ses pairs de l’importance de l’impact des micro-organismes sur le béton. Aujourd’hui, elle collabore avec de nombreuses équipes pluridisciplinaires sur ces sujets. « Nos connaissances se complètent, nous développons ensemble les essais et apportons des réponses à de vraies questions, adaptées aux besoins et attentes des industriels ».

Alexandra Bertron anime plusieurs comités techniques et de recherche au niveau national et international pour confronter les recherches. Avec plusieurs de ses pairs, la chercheuse joue également un rôle décisif au sein de groupes de normalisation.