Biodeterioration of concrete sewer pipes: a practical analytical model

La durabilité des infrastructures enfouies est souvent hors de l'esprit du public. Au Canada seulement, selon une étude de la Fédération canadienne de la municipalité datant de 2007, un investissement de plus de 40 milliards de dollars serait nécessaire pour assurer un niveau de service acceptable pour toutes les infrastructures d'eau. Contrairement à différents types de dégradation due aux contaminants locaux dans le sol, dans les matériaux de construction, ou dues aux conditions météorologiques, toutes les municipalités peuvent faire face à la biodégradation dans leurs systèmes de transport et de traitement des eaux usées. La biodeterioration d'égouts en béton se produit sur le béton non-immergées lorsque des micro-organismes vivant en biofilm excrètent de l'acide sulfurique, substance délétère pour le béton due à la présence d'acidité (ions H+) et de sulfates. Ce programme de recherche combine différents domaines du génie civil et du génie de l'environnement en y intégrant des notions de chimie et de biologie. Plus précisément, le programme de recherche propose deux outils d'analyse applicables à la prévision des réactions qui se produisent pendant la biodégradation des égouts en béton. Premièrement, une nouvelle approche de modélisation du pH est proposée. Dans cette nouvelle approche, les variations au pH sont calculées directement dans chaque processus par le coefficient stœchiométrique (̶ ΔH+ / β), où ΔH+ est la production ou la consommation de protons et β est le pouvoir tampon. L'approche tient compte également des effets de la force ionique. La nouvelle approche peut prédire les changements au pH dus à l'addition ou à la production biologique d'acides et de bases et dus à l'équilibre avec les gaz et les minéraux. Elle est plus simple que les approches existantes tout en maintenant le même niveau de précision. Ensuite, l'approche a été appliquée à la modélisation des réactions se produisant durant la biodétérioration des égouts : la production biologique d'acide sulfurique (diminution du pH), et la dissolution de la pâte de ciment hydraté (augmentation du pH). La dissolution de la pâte de ciment hydraté fut modélisée par une réaction en surface, où l'hydroxyde de calcium se dissout de manière préférentielle. La diminution du pH due à la production d'acide sulfurique à partir de thiosulfate a pu être modélisée par une réaction de dismutation. Afin de mieux représenter les conditions de détérioration dans les égouts, les mêmes réactions ont été étudiées mais avec la biomasse formant des biofilms. Alors que les effets délétères de l'acide sulfurique sur la pâte de ciment hydratée et le béton sont bien connus, l'impact du rapport eau/ciment (e/c) sur cette dégradation n'est pas aussi évident. La cinétique de dissolution du calcium à partir de la pâte de ciment hydraté dans une solution acide a donc été paramétrée. Les caractéristiques de l'échantillon (rapport e/c et carbonatation) ont été testés mais n'ont pas eu d'impact statistiquement significatif, mais le type d'acide et la concentration de l'acide l'étaient. Ce paramétrage est appliqué à la prédiction de la perte de masse de disques en béton soumis à l'acide sulfurique et à différents régimes de brossage. Le brossage du béton crée des forces de cisaillement représentant l'effet de l'écoulement des eaux usées à la ligne d'eau dans les égouts et augmentant significativement la dégradation. Cette thèse propose une revue multidisciplinaire de la biodétérioration des égouts en béton, développe une nouvelle approche pour la modélisation du pH applicables dans les modèles de traitement des eaux (et des biosolides) existants, et présente plus d'information sur la durabilité de la pâte de ciment hydraté et du béton face aux attaques acide. La validation de la nouvelle approche de modélisation du pH pour son utilisation dans les modèles de procédés existants ainsi que l'interaction entre le béton et les biofilms devraient être explorés en plus de détails.

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