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Méthode d'évaluation : le test d'Hambourg

L'ENCEINTE DE SIMULATION DE HAMBOURG: EN QUELQUES MOTS…

La corrosion biogénique est un processus progressif, mais les maîtres d'ouvrages ne peuvent se permettre d'attendre des années pour savoir si un produit de réparation donnera satisfaction. C'est pour cela que les enseignements obtenus avec la chambre de simulation de Hambourg sont très précieux.

  • Les tests d'immersion dans "l'acide pur" sont trompeurs pour évaluer la durabilité potentielle des matériaux exposés à la corrosion biogénique
  • The Hamburg Simulation Chamber recreates the real bacteria ecosystem responsible for biogenic corrosion
  • L'enceinte de simulation de Hambourg permet de recréer l'écosystème responsable de la corrosion biogénique
    • Une année dans l'enceinte de simulation de Hambourg équivaut à 24 ans dans le regard de référence
  • SewperCoat® s'est montré plusieurs fois plus résistant que les autres solutions étudiées dans ce programme de recherche

Notez que la publication scientifique décrivant l'étude conduite avec l'enceinte de simulation de Hambourg peut être téléchargée dans la section Publications Techniques

Pourquoi avoir développé l'enceinte de simulation de Hambourg ?

Même si les tests « à l'acide pur » sont relativement faciles à réaliser en laboratoire, l'expérience montre qu'ils sont incapables de prédire correctement la durabilité en service d'un produit de réparation des réseaux exposés à la corrosion biogénique. Par exemple, les revêtements polymères résistent très bien aux « tests acide » alors que les défaillances observées en application sont trop nombreuses. A l'opposé de ce spectre, alors que SewperCoat® est corrodé par une immersion dans l'acide pur, il montre une durabilité exceptionnelle à la corrosion biogénique dans les applications réelles.

C'est pourquoi, depuis plus de 20 ans, la recherche Kerneos travaille avec de grandes universités à travers le monde pour mieux comprendre les facteurs clés de la durabilité du béton dans l'environnement spécifique des réseaux d'assainissement. La corrosion biogénique étant le résultat du développement d'un écosystème vivant et complexe, des équipes multidisciplinaires sont requises pour faire le lien entre science des matériaux et microbiologie. Ces efforts ont conduit à une bien meilleure compréhension du processus d'attaque de l'hydrogène sulfuré sur les matériaux constituants les réseaux.

Au début des années 90', une équipe de l'université de Hambourg, en Allemagne, a développé un simulateur de laboratoire capable de reproduire de façon bien contrôlée mais surtout réaliste l'écosystème responsable de la corrosion biogénique dans les réseaux d'assainissement. L'objectif de cette équipe, conduite par le Pr. Bock, était de fournir à l'industrie des données de durabilité des matériaux plus représentatives des conditions réelles que celles obtenues avec des tests à l'acide pur. Le résultat essentiel de ces travaux fut le développement de « l'Enceinte de Simulation de Hambourg », permettant d'exposer des éprouvettes à un processus de corrosion biogénique réaliste mais accéléré. Cette section résume le programme de recherche de la chambre de simulation de Hambourg et présente les enseignements qui en furent tirés sur la durabilité de SewperCoat®.

Enceinte de simulation de Hambourg : une évaluation réaliste et rapide de la corrosion biogénique

A ce jour, il n'y a pas d'essai standardisé de corrosion biogénique parce que la reproduction d'un écosystème complet en laboratoire est une tâche délicate. L'enceinte de simulation de Hambourg est un modèle d'outil pouvant guider l'industrie dans le choix des matériaux appropriés pour la construction et la réhabilitation des réseaux d'assainissement.

L'objectif essentiel de ces expériences était de comparer le comportement de différents matériaux cimentaires à l'aide d'un simulateur de laboratoire permettant de reproduire de façon bien contrôlée mais surtout réaliste l'environnement typique des réseaux d'assainissement. L'Enceinte de Simulation de Hambourg maintenait les conditions idéales à cet écosystème, favorisant la colonisation et la bonne croissance des bactéries Thiobacillus, permettant ainsi d'exposer différents matériaux de construction à des conditions de corrosion biogénique très sévères.

Une propriété essentielle de ce simulateur est sa capacité à accélérer le processus de corrosion biogénique, permettant une évaluation accélérée de la durabilité potentielle. En comparant le taux de corrosion observé dans un « regard de référence » exposé à la corrosion avec les taux observés dans l'enceinte de simulation, le facteur d'accélération a été estimé à 24. Autrement dit, une année d'exposition dans l'Enceinte de Simulation de Hambourg a été évaluée équivalente à 24 années d'exposition dans le regard d'égout du réseau de Hambourg utilisé comme référence.

Pendant les quelques années où le simulateur a été opéré, différentes formulations utilisées dans l'industrie furent testées, incluant du ciment Portland, des mortiers de ciment d'aluminate de calcium et SewperCoat®.

L'Enceinte de Simulation de Hambourg : comment ça fonctionne ?

The Hamburg Simulation Chamber principle is quite simple to explain: in a close volume, you create the ideal conditions for the growth of the various bacteria strains responsible of biogenic corrosion. By providing the right temperature, moisture, food, source of energy (Hsub>2

Le principe de l'Enceinte de Simulation de Hambourg est simple à expliquer : dans un volume fermé, on recrée les conditions idéales pour la croissance des différentes souches de bactéries causant la corrosion biogénique. En fournissant la bonne température, la bonne humidité, les bons nutriments, la source d'énergie (H2S) des bactéries acidophiles, etc., un écosystème réaliste et très productif s'établit et permet d'observer une corrosion biogénique rapide. Il ne reste plus qu'à exposer des éprouvettes de différents matériaux à cet environnement agressif pour que leur résistance à la corrosion biogénique puisse être évaluée au fil du temps.

Comme illustré dans la figure, la chambre est un volume fermé avec des supports pour maintenir les éprouvettes (des cubes de mortier). Des gicleurs distribuent l'humidité et les nutriments essentiels à la croissance des bactéries. Un système de chauffage maintien la température à 30°C, ce qui est optimal pour maximiser l'activité de ce type de bactéries. De l'hydrogène sulfuré (H2S) est injecté dans la chambre pour maintenir une concentration de 10 ppm. Finalement, un puissant système de ventilation assure que les conditions sont uniformes en chaque point de l'enceinte.

Il faut du temps aux bactéries pour « coloniser » la surface des éprouvettes de matériaux cimentaires. C'est pourquoi la durée d'exposition dans l'Enceinte de Simulation de Hambourg était de un an. Différents paramètres sont suivis sur des éprouvettes cubiques : leur apparence, le nombre de bactéries, le pH de surface, la perte de masse, la profondeur et la vitesse de la corrosion. Ces essais sont comparatifs et utilisent le mortier de ciment Portland comme référence. L'efficacité de la chambre est confirmée par la rapide détérioration des éprouvettes de ciment Portland, tel que mesuré par le faible pH, la forte perte de masse et la profondeur de l'attaque.

Cette photo montre l'Enceinte de Simulation de Hambourg ouverte, laissant voir différentes séries d'éprouvettes de matériaux cimentaires. Le volume important de l'enceinte permet d'exposer un grand nombre d'éprouvettes à la fois.


Ce que nous apprend l'Enceinte de Corrosion de Hambourg : le mortier à 100% aluminate de calcium est une classe à part

Ce graphique montre l'évolution de la perte de masse sur une période de un an pour différentes séries d'éprouvettes cimentaires exposées dans l'Enceinte de Simulation de Hambourg.

Après 350 jours dans l'Enceinte de Simulation de Hambourg, les deux types de ciment Portland sont complètement détruits par l'activité des bactéries, comme le montre la perte de masse de 100%. De plus, la tendance de l'attaque montre une accélération due à la formation d'ettringite expansive dans la pâte de ciment Portland. Le ciment au laitier de haut fourneau montre une faible amélioration mais la tendance à la détérioration reste du même ordre, avec la même perte de masse de 100% au bout d'un an.

Alors que le ciment d'aluminate de calcium a une bien meilleure résistance par rapport au ciment Portland, SewperCoat® montre seulement la réaction superficielle ayant conduit à la formation de la barrière d'alumine hydratée.

Exposé exactement aux mêmes conditions, le mortier SewperCoat® subit une perte de masse limitée après une année d'exposition (environ 20%). De plus, la tendance de la dégradation ne montre pas d'accélération avec le temps. Cela prouve l'efficacité de la « barrière protectrice » crée par la nature 100% aluminate de calcium de SewperCoat®. Des observations au microscope électronique à balayage (MEB) ont confirmées la présence de cette barrière d'AH3.

On notera aussi que le mortier d'aluminate de calcium, fait avec des granulats naturels, a aussi mieux résisté que les mortiers à base de ciment Portland (environ 40% de perte de masse à un an). Mais cela reste loin de la performance de SewperCoat® qui est composé à 100% d'aluminates de calcium, c'est-à-dire que le liant et les granulats sont des aluminates de calcium.

Ce graphique illustre l'évolution du pH de surface sur une période de un an pour différentes séries d'éprouvettes cimentaires exposées dans l'Enceinte de Simulation de Hambourg.

Il montre que le pH de surface des éprouvettes de ciment Portland décroit rapidement vers pH 1, permettant une corrosion acide rapide. Les échantillons de SewperCoat®, exposés en même temps, aux mêmes conditions, et juste à côté de ceux de Portland, atteignent un pH qui se stabilise autour de 3, indiquant une réduction significative de l'activité bactérienne. Le fait que le pH ne diminue pas en-deçà de 3, ce qui correspond au seuil de solubilité du gel d'alumine, confirme l'importance de la composition aluminate de SewperCoat®.

Enceinte de Simulation de Hambourg : elle concorde avec les observations sur le terrain

L'Enceinte de Simulation de Hambourg a été en opération pendant plusieurs années dans les années 90', permettant d'étudier (dans des conditions très contrôlées) l'écosystème de corrosion biogénique propre aux réseaux d'assainissement et son impact sur les matériaux de construction. Pour les produits basés sur les aluminates de calcium, l'effet bactériostatique induit spécifiquement par les CAC a été pleinement confirmé. La durabilité inégalée des éprouvettes à 100% aluminate de calcium fut également confirmée. Toutes observations quantitatives sont en droite ligne avec les observations qualitatives faites sur les milliers de réparations de SewperCoat® en service dans le monde.

Une question souvent posée est la durée de vie potentielle de SewperCoat®. Chaque réseau d'assainissement développe un environnement particulier avec une dynamique propre. Il n'y a pas aujourd'hui de modèle de simulation capable de prédire comment l'environnement de chaque réseau va évoluer. Toutefois, l'Enceinte de Simulation de Hambourg a démontré que dans un environnement provoquant une corrosion biogénique très sévère - une année dans l'Enceinte de Simulation de Hambourg équivaut à 24 ans dans un réseau - SewperCoat® ne perd que 20% de sa masse. Une telle étude quantitative et très contrôlée permet d'affirmer que SewperCoat® a le potentiel pour fournir « une protection pour des générations ».