Comment les bactéries pourraient renforcer notre infrastructure

Les bactéries accumulant le calcium pourraient empêcher les sels destructeurs dédiés à la voirie de ronger les ponts en béton et d’autres infrastructures essentielles – un problème de 276 milliards de dollars aux États-Unis seulement.

Les bactéries, qui travaillent depuis des millénaires comme « maçons » dans la nature, pourraient bientôt être mobilisées pour aider à neutraliser les effets destructeurs du sel de voirie.

Selon le Transportation Research Board, il faut environ 10 millions de tonnes de sel de voirie, ou fondant routier, pour garder les routes navigables en toute sécurité en hiver. Et même s’il s’agit certainement d’une méthode efficace pour repousser la neige et la glace, à cette époque de l’année, on peut constater les dommages que cela cause à l’infrastructure là-bas, sous forme de fissures, de nids-de-poule et de bosses.

Il s’avère que ces bosses ne sont pas seulement les inconvénients inévitables qui accompagnent l’usure – elles sont en fait causées par un produit chimique qui se forme lorsque le sel de voirie réagit avec la surface des routes, des ponts et des trottoirs qui sont faits de béton blanc gris. En tant qu’ingénieur en matériaux civils à l’Université Drexel, Yaghoob Farnam passe son temps à enseigner et à développer des matériaux avancés qui pourraient être utilisés pour construire des routes, des ponts, des bâtiments et des infrastructures plus solides.

LE TUEUR DE BÉTON
Le produit chimique qui cause les ravages est appelé oxychlorure de calcium-CAO, en abrégé chimique, et il se forme lorsqu’un type commun de sel de voirie, le chlorure de calcium, réagit avec l’hydroxyde de calcium qui est un ingrédient dans le béton. CAO est un composant destructeur. Lorsqu’il se forme à l’intérieur du béton, il se dilate, créant des dépressions et des fissures internes qui sont ensuite amplifiées par l’effet ciselé du cycle gel-dégel.

CAOXY/CAO se forme lorsque l’hydroxyde de calcium, un ingrédient du béton, réagit avec un sel de voirie commun appelé chlorure de calcium.

Selon la Federal Highway Administration des États-Unis, l’entretien hivernal des routes représente environ 20 % des budgets d’entretien des transports du département d’État, avec plus de 2,3 milliards de dollars américains consacrés au contrôle de la neige et de la glace. Cela ne comprend pas les milliards de dollars nécessaires pour réparer les dommages causés aux infrastructures par la neige, la glace et les sels de déglaçage, réparer les nids-de-poule, réparer et renforcer les routes et lutter contre la corrosion que le sel cause aux pièces métalliques des véhicules. Les pertes directes annuelles causées par la corrosion sur les ponts routiers américains sont estimées à 276 milliards de dollars, soit environ 3,1 % du produit intérieur brut du pays.
Bien que des recherches soient en cours pour mettre au point de nouveaux types de béton, comme le béton auto-chauffant, qui peuvent faire fondre la neige et la glace sans avoir besoin de sel de voirie, il pourrait être plus facile de traiter les routes avec quelque chose qui permettrait au sel de faire son travail tout en neutralisant ses effets secondaires négatifs en empêchant la formation de CAOXY/CAO.

LES BLOQUEURS BACTÉRIENS FONT DÉRAILLER LA RÉACTION CHIMIQUE
Son groupe multidisciplinaire à l’Université de Drexel, qui comprend des ingénieurs civils, environnementaux et des matériaux, a décidé que tout antidote aux dommages liés à la CAOXY/CAO devrait prévenir la réaction chimique qui la forme. Mais il est difficile de freiner la réaction, car elle peut se produire à des températures supérieures au point de congélation. Cela signifie que la CAOXY/CAO peut commencer à se former presque dès que le sel est sur la route.

L’une des meilleures façons d’empêcher la réaction de se produire, dit Yaghoob, est de s’assurer qu’il n’y a pas assez d’ingrédients pour cela. « Nous voulions donc créer une autre réaction chimique qui pourrait utiliser le calcium du sel de voirie avant qu’il ne réagisse pour former du CAOXY/CAO ».

La nature a fourni la solution parfaite sous la forme de quelques bactéries talentueuses.

De l’autre côté de leur laboratoire, des étudiants examinaient des bactéries appelées Sporosarcina pasteuriito comprendre comment ils ont fait leur magie. Les bactéries, que l’on trouve couramment dans le sol, ont la capacité unique de convertir les nutriments et le calcium en carbonate de calcium ou calcite – aussi connu sous le nom de calcaire, une pierre commune dans la croûte terrestre. Cette bactérie, S. pasteurii, est reconnue pour avoir déposé du calcaire comme liant (ou colle), favorisant la formation de récifs coralliens et aidant à lier et stabiliser le sol.

Mais les découvertes de la S. pasteurii qui intéressaient ses collègues et lui, ont été découvertes il y a environ 15 ans en Europe. Cette recherche a montré comment des bactéries comme S. pasteurii pouvaient fabriquer leur propre type de béton, un biomortier, qui pourrait être utilisé pour réparer les surfaces de marbre endommagées, comme les sculptures ou les bâtiments historiques.

Par leur métabolisme des nutriments, les bactéries produisent une enzyme qui agit comme catalyseur pour la formation de calcite. Le processus augmente également la nature alcaline du milieu environnant, ce qui permet également la réaction.

Leur groupe espérait mettre la bactérie à contribution pour réparer les fissures dans le béton, dont la plus grande partie contient du calcaire comme ingrédient principal. La percée a eu lieu lorsque nous avons remarqué que l’un des ingrédients primaires dont la S. pasteurii avait besoin pour fabriquer son calcaire est le calcium.

Les « petits maçons bactériens » pourraient-ils alors aider à contrecarrer la CAOXY/CAO ?

OÙ LES S. PASTEURII RENCONTRE LA ROUTE
Ce groupe de chercheurs a donc avons mis son idée à l’essai en utilisant des échantillons de ciment Portland ordinaire, du type utilisé pour construire des routes, des ponts et des trottoirs. En plus d’un échantillon de contrôle qui a été fait sans bactéries, ils ont traité un échantillon en laboratoire avec la S. pasteurii et une solution nutritive, explique-t-il sur Fastcompany.

Ensuite, ils ont exposé leurs échantillons à une solution de chlorure de calcium à des températures variables, afin de simuler l’environnement hivernal dans lequel se produit une interaction typique entre le sel et le béton de voirie. En mesurant les changements de température indicatifs de la formation de CAOXY/CAO, en mesurant la quantité de CAOXY/CAO et en surveillant l’acoustique des échantillons avec de petits microphones sensibles pour détecter les craquements, ils ont constaté que les échantillons traités par les bactéries n’étaient pas touchés. Et la S. pasteurii a en fait converti une partie du sel de voirie en calcite, ce qui a aidé à sceller les micropores qui sont les précurseurs des fissures et des nids-de-poule.

Lorsque l’hydroxyde de calcium (provenant du béton) se mélange au chlorure de calcium du sel de voirie en présence de bactéries, les microbes produisent du calcaire qui patche la route.

Donc, l’utilisation de bactéries avant l’attaque au sel peut-elle vraiment nous sauver des dommages à la route ? C’est sa conviction oui.

La S. pasteurii est une bactérie particulièrement résistante et inoffensive que l’on trouve dans le sol. Elle peut former des spores afin de survivre dans une large gamme de températures et dans des environnements à haute ou basse acidité. Cela signifie qu’ils peuvent rester dormants pendant la saison morte et entrer en action au printemps avec le premier salage routier de l’hiver. Et surtout, le carbonate de calcium qu’elle forme semble inoffensif pour son écosystème immédiat, contrairement au sel de route, dont on sait qu’il affecte les milieux aquatiques avoisinants à la fin de la saison.

Bien sûr, il reste encore du travail à faire pour bien comprendre les interactions de la S. pasteurii avec le sel routier et ses effets sur la performance du béton. Ses collègues et lui-même ne savent pas encore à quelle vitesse les bactéries effectuent cette réaction chimique, et ils cherchent des moyens prometteurs d’ajouter les bactéries aux routes dans une situation réelle. Mais c’est une voie qui vaut la peine d’être suivie, car il est peu probable qu’ils soit possible de se libérer de notre dépendance au sel de voirie dans un avenir proche.

Yaghoob Farnam est professeur adjoint de génie civil à l’Université Drexel.

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