Bio-cimentation de milieux granulaires : caractéristation micro-mécanique des contacts entre grains bio-cimentés pour prédire le renforcement à l'échelle macroscopique – micro-mechabio

La stratégie globale suivie dans le projet est présenté sur la figure ci-après. La morphologie et les propriétés micromécaniques des contacts biocimentés sont mesurées par des tests micromécaniques menés sur des paires de grains cimentés par de la calcite formés par les bactéries. Ces joins de calcite sont imagé par tomographie RX en synchrotron et microscopie électronique à balayage. Ces données obtenues à l'échelle micrométrique sont utilisées comme données d'entrées dans des simulations numériques pour prédire le comportement mécanique à l'échelle d'un échantillon. Le performance de ce modèle pour prédire le comportement d'un matériau bio-cimenté est faite en comparant ces prédictions à des essais triaxiaux qui permettent de mesurer la résistance d'un matériau en cisaillement.

Enfin, en vue d'application industriel, il est nécessaire de connaitre la durabilité de ce matériau, en particulier sa capacité à résister à un environnement agressif acide, qui pourrait dissoudre les joins entre les grains. Cette aspect est évalué en suivi la distribution de la calcite au cours du temps lorsque que le milieu est exposé à une solution acide.

Les essais micromécaniques ont montré que la rupture se produisait à l'interface entre les cristaux de calcite et les grains de sable, que ce soit en traction ou en cisaillement. Par ailleurs, la rupture peut se produire sur les surfaces des deux grains, c’est-à-dire que certains cristaux de calcite peuvent se détacher du grain 1 et d’autres du grain 2. Les résistances moyennes à la rupture sont de 2,76 ± 2 MPa en traction et de 5,81 ± 1,99 MPa en cisaillement.

L’utilisation des méthodes de diffraction des rayons X en 3D, couplée à la tomographie de contraste de phase, a permis de révéler que les cristaux de CaCO₃, apparaissant comme des monocristaux en tomographie, sont en réalité constitués d'agglomérats présentant des orientations différentes mais avec une orientation préférentielle perpendiculaire à la surface des grains de sable.

Les premières observations des expériences de dissolution montrent que des chemins préférentiels le long desquels la calcite se dissout rapidement apparaissent lorsque le débit est élevé et le pH faible, tandis qu’un front de dissolution plat existe lorsque le débit est faible et le pH proche de 7.

Pour aller plus loi, il serait intéressant de mener des expériences de suivi de croissance des cristaux avec deux approches. Une approche de type microfluique en utilisant des milieux poreux modèles, idéalement réalisés dans des matériaux proches du sable, afin de suivre la croissance en temps réel sous microscopie optique. Une seconde approche est de faire des expériences de s3DXRD au cours de la croissance, en observant la cristallographie du CaCO3 après chaque cycle de précipitation. Il serait également intéressant de trouver des outils méthodes numériques ou théoriques permettant de comprendre la résistance de l’interface entre 2 cristaux différents

La bio-cimentation est un procédé de renforcement des sols et structures qui apparaît plus respectueux de l’environnement que les techniques classiques. Différentes études ont démontré son potentiel dans de nombreuses applications : érosion interne, liquéfaction des sols, glissement de terrains… L’un de ses intérêts est d’améliorer les propriétés mécaniques tout en maintenant une forte perméabilité. En effet, une petite fraction volumique de calcite, essentiellement localisée au niveau des contacts entre grains, suffit à augmenter considérablement les propriétés macroscopiques du milieu. L’objectif du projet est de caractériser les propriétés mécaniques des contacts bio-cimentés, en concevant des expériences originales de micromécanique, couplées à de l’imagerie 3D. Les propriétés identifiées à l'échelle locale seront ensuite utilisées pour prédire des propriétés macroscopiques via des simulations en DEM (Discrete Element Modelling). De plus, l'un des volets de l'étude s'intéressera à la durabilité de ce renforcement, en analysant l'évolution des propriétés mécaniques en fonction d'une exposition à un environnement agressif, acide, représentatif d'une pluie acide.