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1 Introduction

Plusieurs techniques de renforcement de sols ont été développées au cours du 20^e siècle grâce à l’énorme développement industriel, notamment celles utilisant l’ajout de chaux, de ciment, celles basées sur un compactage mécanique ou dynamique du sol ou encore celles requérant la mise en œuvre d’inclusions rigides et de colonnes ballastées. Ces techniques montrent des limites pour certains cas in situ (ouvrages de grande profondeur, structures anciennes et sensibles, etc…) ; elles sont également considérées comme des techniques coûteuses et agressives pour l’environnement (DeJong et al., 2010). Ces dernières années, différents processus biologiques, tels que les procédés de biogaz, la formation de biofilms et la bio-cimentation, ont été recommandés pour surmonter certains inconvénients des techniques classiques d’amélioration de sol (DeJong et al., 2014). Ces techniques ne considèrent plus le sol comme un matériau inerte, mais comme un écosystème vivant (Briançon et al., 2018). La technique de précipitation de calcite par une voie biologique représente l’une des techniques les plus prometteuses en géotechnique. Cette technique est connue sous le terme de Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP). Elle a pu être proposée comme solution au problème de liquéfaction des sols sous sollicitation dynamique ou sismique ou pour une amélioration des caractéristiques du sol en place (par exemple pour réduire la poussée ou augmenter la butée des terres dans le cas de murs de soutènement – Esnault et al., 2011 ; Esnault et al., 2019). La biocimentation présente l’avantage de ne pas être soumise à une notion de temps de prise comme les solutions chimiques ni à une augmentation de viscosité des fluides injectés au cours du temps, ce qui la rend compétitive par rapport à d’autres techniques classiques, surtout pour des problèmes de grandes surfaces et qui nécessitent des interventions rapides (Briançon et al., 2018). Du point de vue environnemental, la biocimentation est considérée comme écologique, capable de réduire les émissions de CO₂, contribuant ainsi à la réduction du réchauffement planétaire. De plus, l’énergie nécessaire à la fabrication de la calcite par des bactéries représente 10 % de l’énergie totale nécessaire à la fabrication de la même quantité en ciment conventionnel (Torgal et al., 2015). La biocimentation est basée sur la forte activité enzymatique (uréasique) d’un type particulier de bactérie, Sporosarcina pasteurii. Cette souche bactérienne est capable de décomposer l’urée (NH₂)₂CO en ammonium (NH₄⁺) et en carbonate (CO₃⁻²). Ce dernier peut participer à la composition du produit final (calcite CaCO₃) dans un milieu riche en Calcium (Ca⁺²) (Eq. (1)). Ce phénomène peut être reproduit dans les sols, par l’injection de bactéries uréasiques bio-augmentées au laboratoire ou bio-stimulées in situ (dans le cas de bactéries indigènes dans le sol) et de réactifs chimiques (urée, source de calcium). $${\left({\text{NH}}_2\right)}_2{\text{CO + 2H}}_2{\text{O + CaCl}}_2\to {\text{CaCO}}_3{\text{+ 2NH}}_4\text{CL.}$$(1)

Au cours des 10 dernières années, plusieurs programmes de recherche ont prouvé l’efficacité de cette technique pour différents problèmes géotechniques par des tests en laboratoire (DeJong et al., 2006 ; Al Qabany et al., 2012 ; Montoya et al., 2013 ; Feng et Montoya, 2016 ; Jiang et Soga, 2017) et in situ par des tests à grande échelle (Van Paassen et al., 2010 ; Filet et al., 2012). L’efficacité de ce processus est directement liée aux propriétés microstructurales du sol bio-cimenté. En d’autres termes, elle est expliquée par la façon dont la calcite peut être précipitée dans les zones inter-granulaires ou sur la surface des grains et si cette précipitation augmente les surfaces de contact cohésives entre les grains ou si elle remplit les pores et diminue la perméabilité. Des observations qualitatives (microscope électronique à balayage MEB, rayons-X) ont montré que la précipitation de la calcite s’effectue essentiellement entre les grains, ce qui augmente significativement la cohésion du sol (DeJong et al., 2006 ; Martinez et DeJong, 2009 ; DeJong et al., 2011 ; Montoya, 2012 ; Dadda et al., 2017, 2018, 2019). Plusieurs méthodes de traitement in situ ont été proposées pour renforcer des sols par biocimentation comme la percolation en surface et l’injection. La méthode de percolation en surface ne permet pas de renforcer des sols sur de grandes profondeurs, par contre elle est avantageuse pour traiter des problèmes en surface tels que renforcement des chaussées, piégeage de poussière, érosion externe des talus, etc. L’avantage de cette méthode est l’énergie minimale nécessaire pour la réalisation de l’opération de renforcement par rapport aux autres méthodes. La méthode d’injection est la plus utilisée dans les études antérieures en bio-cimentation, étant donné qu’elle est semblable à la technique des sols injectés, qui est caractérisée par la facilité de contrôle in situ (contrôle de la vitesse d’injection, de la direction, du volume, …). En outre, cette méthode est recommandée pour le renforcement des anciennes structures sensibles (barrages et digues en terre, etc), pour lesquelles le recours à des techniques trop intrusives est à éviter.

L’objectif principal de ce travail est d’évaluer l’efficacité de cette technique de biocimentation par injection. À cet effet, des éprouvettes de sable ont été traitées par la méthode d’injection en utilisant un minimum de nombre d’injections. Par la suite, ces éprouvettes s ont été testées mécaniquement par des essais triaxiaux drainés afin d’évaluer l’évolution des propriétés mécaniques comme la cohésion et l’angle de frottement. La perméabilité de ces éprouvettes s a été mesurée aussi dans le dispositif triaxial avant de réaliser les essais triaxiaux. Des observations microscopiques ont été également réalisées par MEB et par tomographie RX sur des sous-échantillons de sable de différents niveaux de calcification prélevés à partir des éprouvettes triaxiales après les tests mécaniques. Ces observations servent à comprendre les phénomènes agissant à l’échelle microscopique et les lier de façon qualitative et quantitative aux changements de propriétés (notamment mécaniques) à l’échelle macroscopique.

2 Matériaux et méthodes

2.1 Bio-cimentation en laboratoire et préparation des éprouvettes

D’après plusieurs études, la technique de biocimentation par injection est capable d’améliorer une large gamme de granulométrie allant des graviers aux sables limoneux. Même dans des sols fins, l’injection s’effectue sans montée en pression dans des terrains réputés non injectables avec des procédés classiques. Les bactéries et les solutions calcifiantes peuvent imprégner le terrain sur de longues distances ; le maillage d’injection est ainsi considérablement élargi comparé à celle nécessaire dans l’emploi des ciments ultrafins ou des produits chimiques à cause de leur viscosité et du phénomène de prise chimique ou hydraulique, ce qui rend cette technique moins coûteuse (Esnault et al., 2017 ; Briançon et al., 2018). La biocimentation par injection n’est pas adaptée pour renforcer des sols fins comme l’argile. En revanche, d’autres techniques de mise en œuvre peuvent être appliquées pour surmonter ce problème comme le soil-mixing assurant le mélange homogène des bactéries, de la solution calcifiante et du sol.

Dans cette étude, on a choisi le sable de Fontainebleau (NE34) qui représente un intermédiaire en granulométrie pour les domaines d’applications de ce procédé et est le sable de référence utilisé en laboratoire (Tab. 1) : en effet une perméabilité plus faible nécessiterait une pression d’injection plus élevée, une valeur trop forte nécessiterait une plus grande quantité de bactéries au voisinage du point d’injection pour avoir une bonne efficacité du traitement et une augmentation suffisante de résistance. Ce sable est caractérisé par une granulométrie serrée (Cu = 1,5), des grains d’une forme arrondie avec une taille de l’ordre de 210 μm (correspondant au D₅₀). Des éprouvettes de sable de Fontainebleau (NE34) ont été préparées par compactage dans des colonnes en PVC (Fig. 1) pour des niveaux de calcification moyens à forts et dans la cellule triaxiale pour les faibles niveaux de calcification. Deux types de colonnes ont été utilisés dans cette étude : diamètre de 68 mm et hauteur de 350 mm destinée aux taux de calcification moyens et diamètre de 68 mm et hauteur de 600 mm pour les forts taux de calcite (Fig. 1). La procédure de compactage a été calibrée pour préparer des éprouvettes s d’un indice de densité Id = 0,8, égal à l’indice de densité des éprouvettes de sable bio-cimenté avant le traitement, afin de pouvoir comparer l’évolution des propriétés mécaniques due au processus de biocimentation. Les éprouvettes avant traitement s’avèrent homogènes avec des porosités moyennes qui varient de 37 à 40 %.

Pour le processus de biocimentation, deux solutions ont été préparées ; (1) une solution contenant des bactéries lyophilisées (Sporosarcina pasteurii), avec quelques grammes de NaCl dissous dans un litre d’eau commerciale (marque Cristaline), afin d’augmenter le potentiel d’attachement des bactéries sur les grains de sol ; (2) une solution contenant 1,4 Mol d’urée et la même quantité de chlorure de calcium (CaCl₂). Ces deux solutions ont été injectées (toujours du bas vers le haut) suivant le protocole d’injection présenté dans la figure 1. Ce protocole a été répété une à plusieurs fois pour avoir des éprouvettes présentant différents niveaux de calcification entre 0 et 12 % de calcite en masse (Tab. 2). L’élaboration de ce protocole de traitement permet de minimiser le nombre d’injections pour minimiser le coût in situ sans gêner l’efficacité mécanique de ce processus. Le nombre de colonnes utilisées ainsi que le nombre de traitements suivis sont indiqués dans le tableau 2.

Après la biocimentation en laboratoire, les colonnes ont été ouvertes et découpées de manière à fournir des éprouvettes cylindriques d’un diamètre de 68 mm et d’un élancement de deux, soit une hauteur de 14 cm (Figs. 2a–2c). Chaque éprouvette peut alors être installée dans la cellule triaxiale comme le montre la figure 2d pour faire des mesures de perméabilité dans un premier temps et pour réaliser un essai triaxial consolidé drainé dans un deuxième temps.

Fig. 1 Protocole d’injection pour le processus biocimentation. Injection protocol for the biocementation process.

Fig. 2 Étapes de préparation des éprouvettes pour les essais triaxiaux. (a) Tronçonnage de la grande colonne en trois ; (b) Découpe du tube plastique ; (c) Récupération de la colonne de sable et (d) Installation de l’éprouvette dans la cellule triaxiale. Sample preparation steps for triaxial tests. (a) Cutting of the long column in three parts; (b) Cutting of the plastic tube; (c) Recovery of the sand column and (d) Installation of the sample inside the triaxial cell.

2.2 Essais triaxiaux et mesure de perméabilité

Un total de vingt-huit essais a été réalisé, chaque éprouvette a un élancement compris entre 1,8 et 2 par rapport à son diamètre. Ces éprouvettes ont été testées à différentes pressions de confinement (0, 25, 50, 75, 100 kPa) couvrant ainsi la gamme de contrainte rencontrée dans des ouvrages ordinaires ou des sols de fondation de quelques mètres de profondeur. Des mesures de perméabilité en laboratoire ont été réalisées aussi sur ces éprouvettes par l’utilisation d’un vase de Mariotte (mesure à charge constante) pour analyser l’évolution de la perméabilité par la précipitation de calcite. Après les essais triaxiaux, une campagne de dosage de calcite a été réalisée avec le calcimétre de Bernard afin de vérifier la quantité de calcite précipitée dans chaque éprouvette.

2.3 Observation et traitement d’image

Des images par micro-tomographie aux rayons X ont été réalisées à l’ESRF (Grenoble/France) pour des échantillons de sable bio-cimentés présentant un taux de calcite en volume allant de 1,9 à 14,9 % (Tab. 2). Une résolution de 0,65 µm/pixel a été choisie afin de visualiser les cristaux de calcite qui ont une petite taille (15 à 20 µm) (Fig. 3). L’utilisation de cette technique permet de visualiser de manière quantitative et précise la microstructure d’objets observés, ce qui permet d’obtenir des résultats plus rigoureux et fiables pour les propriétés déduites des images 3D comme la distribution spatiale de la calcite et l’évolution des surfaces de contact inter-granulaire (Dadda et al., 2018).

Chaque image 3D en niveau de gris a été traitée afin de séparer les trois phases (grains de sable, calcite et pores). Les grains en 3D ont été séparés par un algorithme de Watershed (Dadda et al., 2018). Cette séparation de grains a pour but de quantifier des propriétés microstructurales comme le nombre de contacts par grain, la surface de contact ou le type de contact « cohésif ou frottant » (Pour plus de détail sur le traitement d’image en 3D et ces calculs, voir Dadda et al., 2017, 2018). Les propriétés calculées sur ces images 3D sont présentées dans le tableau 3. Quelques échantillons ont été observés aussi par MEB afin de confirmer les observations et les remarques obtenues par les observations par tomographie RX (Fig. 3).

Fig. 3 Observations microstructurales des échantillons de sable biocimenté (MEB et Micro-tomographie RX). Microstructural observations of biocemented sand samples (SEM and X-ray micro-tomography).

3 Résultats

3.1 Comportement mécanique

Le dosage chimique de la calcite montre que la procédure de calcification (pour des niveaux de calcification faibles, moyens et élevés) conduit à des résultats répétables avec certaines différences d’une colonne à l’autre (Dadda et al., 2017). Dans tous les traitements, une hétérogénéité a été observée dans la direction verticale des éprouvettes ou des colonnes, même si elle reste modérée. La calcification est ainsi plus élevée dans la première moitié des colonnes. Cette hétérogénéité est due à la répartition inégale des bactéries et à leurs caractéristiques de transport et d’adhésion. En outre, la concentration élevée de réactifs a un effet considérable sur l’homogénéité de ce processus.

Au total, 7 groupes d’éprouvettes ont pu être définis sur la base de leur teneur moyenne en calcite (même si la distribution de la calcite n’est pas uniforme dans l’éprouvette) : le groupe 1 correspond à 0 % (sable non traité), groupe 2 : 2,3 ± 0,1 %, groupe 3 : 6,2 ± 0,3 %, groupe 4 : 8,6 ± 0,5 %, groupe 5 : 9,5 ± 0,5 %, groupe 6 : 11 ± 0,7 % et groupe 7 : 11,9 ± 0,7 % (Tab. 2). Chaque groupe comprend plus de trois éprouvettes pour les mesures triaxiales et de perméabilité. Ces éprouvettes ont été testées sous des conditions triaxiales drainées sous différentes pressions de confinement qui correspond à des faibles profondeurs (25, 50 et 100 kPa) telles que celles qui peuvent être rencontrées dans le cas d’un renforcement de digue existante sur quelques dizaines de mètres de profondeur. Dans cette étude, nous avons décidé de présenter le comportement mécanique des éprouvettes des groupes 1, 3 et 5. La figure 4 présente les résultats des essais triaxiaux pour le sol non traité (groupe 1). Les résultats obtenus pour les groupes 3 et 5 ainsi que le profil de calcite moyen de chaque éprouvette sont donnés dans les figures 5 et 6. Le sable non-traité a montré un comportement typique d’un sable dense pour toutes les pressions de confinement appliquées (Fig. 4). Avant 3 % de déformation axiale, le sable a montré une augmentation du module sécant ainsi que sa résistance au cisaillement au pic avec la pression de confinement appliquée (q_max = 310 kPa pour une pression de confinement de 100 kPa). Dans la plan (ε_v – ε₁), le sable présente une faible contractance de l’ordre de 0,3 % de déformation volumique avant de passer en dilatance pour 1 % de déformation axiale environ. Après le pic, une faible chute de résistance est observée vers l’état ultime (q_ultm = 280 kPa pour un confinement de 100 kPa). Cette faible chute est due à l’état initial dense du sable qui a été affaibli par la dilatance détectée dans la courbe (ε_v – ε₁) et qui atteint presque 7 % de déformation volumique à l’état ultime. Cette dilatation est fort probablement localisée dans une bande de cisaillement à l’intérieur de l’éprouvette (comme l’illustre la Fig. 4b).

L’ajout de quelques pourcents de calcite en masse (6,2 % pour le groupe 3) modifie de façon remarquable le comportement du sable (Fig. 5). Pour des faibles niveaux de déformation axiale (< 2 %), le sable montre un comportement fragile marqué avec une augmentation du module sécant et de la résistance par rapport au sable non-traité. Cette évolution est expliquée par l’augmentation de la cohésion inter-granulaire apportée par la cimentation. Le module sécant est insensible à la pression de confinement appliquée dans la gamme considérée, contrairement au cas du sable non-traité. La résistance au cisaillement du sable a été multipliée par deux pour ce niveau de cimentation (Fig. 5a), cette valeur maximale de résistance est atteinte vers 2 % de déformation axiale ce qui traduit également une augmentation du caractère fragile du matériau. Dans le plan (ε_v – ε₁) le sable a subi une faible contractance avant une forte dilatance même pour un faible niveau de déformation. Pour les grandes déformations axiales (> 10 %), le sable atteint son état ultime avec une résistance un peu plus élevée que celle du sable non-traité (q_max = 380 kPa pour une pression de confinement de 100 kPa par rapport à 280 kPa pour le sable non-traité soumis à la même pression de confinement). Cette augmentation de résistance ultime du sable peut être expliquée par deux phénomènes (1) une augmentation de la rugosité des grains par la précipitation de la calcite (Fig. 3– image MEB) ; (2) la persistance d’agglomérats de sable cimenté après le pic, ce qui change par la suite l’angularité et la granulométrie effective du sable. Le comportement volumique du sable pour les forts niveaux de déformation axiale montre une évolution asymptotique vers une valeur de dilatation un peu plus faible par rapport au sable non-traité (4 %).

La cimentation du sable à 9,5 % de calcite en masse (groupe 5), a mis en évidence encore une fois une augmentation du caractère fragile du matériau, de la résistance maximale et ultime (Fig. 6a). Le comportement volumique pour cette gamme de cimentation est encore une fois très dilatant (Fig. 6c). Par contre, la valeur finale de dilatation est restée plus faible que celle d’un sable non-traité.

Fig. 4 Comportement mécanique des éprouvettes de sable non-traité. (a) courbe q–ε1 ; (b) courbe εv – ε1 ; et (c) image d’ éprouvette après cisaillement. Mechanical behavior of untreated sand samples. (a) q–ε1 curve; (b) εv – ε1 curve; and (c) post-shear sample image.

Fig. 5 Comportement mécanique des éprouvettes de sable du groupe 3, 6,2 ± 0,3 % de calcite en masse. (a) courbe q–ε1 ; (b) courbe εv – ε1 ; (c) profile de calcite des éprouvettes testées ; et (d) image d’éprouvette après cisaillement. Mechanical behavior of group 3 sand samples, 6.2 ± 0.3% calcite in mass. (a) q–ε1 curve; (b) εv – ε1 curve; (c) calcite profile of the tested samples; and (d) sample image after shearing.

Fig. 6 Comportement mécanique des éprouvettes de sable du groupe 5, 9,5 ± 0,5 % de calcite en masse. (a) courbe q–ε1 ; (b) courbe εv – ε1 ; (c) profile de calcite des éprouvettes testées ; et (d) image d’ éprouvette après cisaillement. Mechanical behavior of group 5 sand samples 9.5 ± 0.5% calcite in mass. (a) q–ε1 curve; (b) εv – ε1 curve; (c) calcite profile of the tested samples; and (d) sample image after shearing.

3.2 Modification des propriétés mécanique et physique

Les essais triaxiaux réalisés sur un sable de Fontainebleau (NE34) avec différents niveaux de calcification (0, 2,3, 6,1, 8,4, 9,5, 11,6 et 12,4 % de calcite en masse) ont été exploités pour déterminer l’évolution de différentes propriétés mécaniques comme la cohésion, l’angle de frottement et l’angle de dilatance (Fig. 7).

La figure 7a montre l’évolution de la cohésion du sable en fonction du pourcentage de calcite précipitée en masse. Cette évolution montre une forte non-linéarité exponentielle qui atteint une valeur de cohésion de 200 kPa pour un niveau de calcite de 12,4 % en masse. Cette non-linéarité est due à la modification de plusieurs paramètres microstructuraux par la précipitation de la calcite comme la surface de contact cohésive entre les grains et le nombre de coordination (Dadda et al., 2018). Par ailleurs, les angles de frottement au pic et résiduel ont montré une évolution quasi-linéaire d’une valeur initiale de 37° vers 57° pour l’angle de frottement au pic et de 32° à 43° pour l’angle de frottement résiduel. Cette évolution est probablement due à l’augmentation de la rugosité des grains et à la formation lors de la rupture d’agglomérats de grains cimentés. L’angle de dilatance a montré aussi une forte évolution non-linéaire d’une valeur de 12° pour un sable non-traité vers une valeur de 52° pour un sable traité à 12,4 % de calcite en masse. Cette évolution peut également être expliquée par les mêmes phénomènes locaux.

Les mesures de perméabilité effectuées avant les essais triaxiaux ont montré une diminution non-linéaire en fonction de la quantité de calcite précipitée en masse (Fig. 8). Cette diminution est principalement due à la diminution de la porosité du sable par la précipitation de calcite. La valeur de perméabilité dans cette étude a été seulement divisée par deux (4 × 10⁻⁵ m/s) pour un niveau de calcification de 7 % de calcite en masse. Le sable est donc toujours considéré comme perméable, alors que, en parallèle la résistance a fortement augmenté, la cohésion étant passée de 0 à 50 kPa environ.

Fig. 7 Évolution des propriétés mécanique du sable biocimenté en fonction de la quantité de la calcite. (a) cohésion ; (b) angle de frottement au pic ; (c) angle de frottement résiduel ; et (d) angle de dilatance. Evolution of the mechanical properties of the biocemented sand as a function of the quantity of the calcite. (a) cohesion; (b) peak friction angle; (c) residual friction angle; and (d) dilatancy angle.

Fig. 8 Évolution de la perméabilité du sable biocimenté en fonction de la masse de calcite précipitée. Evolution of the permeability of biocemented sand as a function of the mass of precipitated calcite.

3.3 Observations microstructurales

Des observations micro-tomographiques aux rayons-X et par microscopique électronique à balayage ont été réalisées sur quelques échantillons de différents niveaux de calcification. La figure 9 montre trois images micro-tomographiques en 3D et les observations MEB pour trois échantillons (T1, 9HH et 11HB) provenant respectivement du groupe 1 (sable non-traité), du groupe 3 (sable traité à 6,2 %) et du groupe 5 (sable traité à 9,5 %). Dans les images micro-tomographiques, les deux phases solides qui existent dans le sable sont présentées avec des couleurs différentes (les grains de silice sont en orange clair et la calcite est en mauve foncé). Ces trois images montrent clairement l’évolution de la quantité de calcite de 0 % dans le sous-échantillon T1’ à 5 % dans le sous-échantillon 9HH et à 7 % dans le sous-échantillon 11HB. Des grains de sable ont été isolés de ces images 3D afin de voir clairement en 3D un contact inter-granulaire. On remarque qualitativement que la précipitation de calcite augmente la surface de contact entre les deux grains et que la précipitation n’est pas uniforme sur toute la surface du grain. Ces observations ont été confirmées par les observations MEB sur les mêmes sous-échantillons, où l’on constate que la calcite a précipité de manière non-homogène sur les grains et principalement au niveau des contacts inter-granulaire. Les images MEB montrent une morphologie de cristaux de calcite polyédriques d’une grande taille (15–20 μm) ce qui confirme la saturation du milieu par le calcium lors du traitement.

Les images 3D peuvent être utilisées pour extraire différentes propriétés microstructurales et physiques telles que la porosité, la quantité de calcite, la perméabilité, etc. (Dadda et al., 2017). Dans une première tentative, certaines propriétés microstructurales telles que la surface de la calcite, la surface totale, le nombre de contacts cohésifs et le nombre de contacts total ont été calculées à partir de différentes images 3D et utilisées pour comprendre le processus de biocimentation à l’échelle microscopique (Dadda et al., 2018). La figure 10 montre une comparaison entre l’évolution de la surface revêtue de calcite (surface spécifique de calcite / surface totale) et le nombre de contacts cohésifs normalisés par le nombre total de contacts. Cette comparaison montre que rapidement presque tous les contacts frottants de l’échantillon de sable ont été convertis en contacts cohésifs (quantité de calcite > 5 %). En revanche, la surface de sable recouverte de calcite tend vers une valeur asymptotique de 0,45 ; ce qui prouve que seulement 45 % de la surface extérieure des grains de sable étaient recouvert de calcite. Les évolutions de ces deux paramètres confirment quantitativement que la calcification biologique par les bactéries est localisée dans les zones de contact inter-granulaires et qu’elle n’obstrue pas les pores. C’est la raison pour laquelle la résistance au sable augmente considérablement, mais la perméabilité reste raisonnable (même pour un taux de calcite important, la diminution de perméabilité n’atteint un ou plusieurs ordres de grandeur comme dans d’autres techniques d’injection). Ce caractère unique de ce processus biologique le rend très efficace pour certains problèmes géotechniques tels que le renforcement des sols meubles contre les phénomènes de liquéfaction et les barrages en terre contre les phénomènes d’érosion interne pour lesquels l’augmentation de la résistance au cisaillement du sol est hautement souhaitable, tandis que la réduction de la perméabilité pourrait être un inconvénient.

Fig. 9 Images micro-tomographie RX et MEB des échantillons de sable biocimenté. (a) sable non-traité ; (b) sable traité à 5 % « 9HH » ; (c) sable traité à 7 % « 11HB ». X-ray-micro tomography and and SEM images of the biocemented sand samples. (a) untreated sand; (b) sand treated at 5% “9HH”; (c) sand treated at 7% “11HB”.

Fig. 10 Évolution des propriétés microscopiques (proportion de contacts cohésifs et surface recouverte par la calcite) du sable biocimenté en fonction de la masse de calcite précipitée. Evolution of the microscopic properties (ratio of cohesive contacts and sand-coated surface) of the biocemented sand as a function of the mass of precipitated calcite.

4 Conclusion

Dans le présent travail, un protocole de biocimentation de sol par injection a été élaboré pour préparer des éprouvettes de sable de Fontainebleau biocimenté et les tester mécaniquement en conditions triaxiales drainées. Le comportement mécanique du sable biocimenté a été étudié pour différents niveaux de calcification (0–12,4 %) et sous différentes pressions de confinement (25, 50 et 100 kPa). Des mesures de perméabilité ont également été effectuées sur les mêmes éprouvettes. Des sous-échantillons ont été prélevés post mortem pour des observations micro-tomographiques et microscopique au MEB afin de comprendre de manière qualitative et surtout quantitative le processus de biocimentation par des microorganismes à l’échelle microscopique.

Le protocole suivi dans cette étude a montré une bonne répétabilité du procédé de biocimentation par injection avec une faible hétérogénéité du profil de calcification. Par ailleurs, le comportement mécanique du sable a montré une évolution vers un caractère fragile marqué et une augmentation importante de la résistance au cisaillement de pic en cisaillement et résiduelle. On observe entre autres que la cohésion passe de 0 kPa pour un sable non-traité à environ 200 kPa pour un sable traité à 12,4 % de calcite en masse. D’après Beguin et al. (2019), une valeur de cohésion de l’ordre simplement de 10 à 20 kPa peut empêcher fortement le phénomène d’érosion interne par l’attachement des petites particules et qu’une telle valeur peut réduire également nettement l’apparition du phénomène de liquéfaction dans les sols lâches par l’attachement des grains et l’augmentation de la densité du sol par l’ajout de calcite. L’avantage de la biocimentation par injection est la localisation de la calcite dans les zones de contact inter-granulaire, ce qui le rend très efficace pour certaines problématiques géotechniques, notamment de renforcement de sol en place.

Remerciements

Les auteurs reconnaissent le soutien apporté par la société CNR, Axelera, Indura et tous les partenaires du projet BOREAL pour cette recherche menée dans le cadre de la thèse de doctorat du premier auteur. Le laboratoire 3SR fait partie du LabEx Tec 21 (Investissements d’Avenir– convention de subvention ANR11 269 LABX0030).

Références

Liste des tableaux

Liste des figures

	Fig. 1 Protocole d’injection pour le processus biocimentation. Injection protocol for the biocementation process.
Dans le texte

Fig. 2 Étapes de préparation des éprouvettes pour les essais triaxiaux. (a) Tronçonnage de la grande colonne en trois ; (b) Découpe du tube plastique ; (c) Récupération de la colonne de sable et (d) Installation de l’éprouvette dans la cellule triaxiale. Sample preparation steps for triaxial tests. (a) Cutting of the long column in three parts; (b) Cutting of the plastic tube; (c) Recovery of the sand column and (d) Installation of the sample inside the triaxial cell.

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	Fig. 3 Observations microstructurales des échantillons de sable biocimenté (MEB et Micro-tomographie RX). Microstructural observations of biocemented sand samples (SEM and X-ray micro-tomography).
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	Fig. 4 Comportement mécanique des éprouvettes de sable non-traité. (a) courbe q–ε1 ; (b) courbe εv – ε1 ; et (c) image d’ éprouvette après cisaillement. Mechanical behavior of untreated sand samples. (a) q–ε1 curve; (b) εv – ε1 curve; and (c) post-shear sample image.
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Fig. 5 Comportement mécanique des éprouvettes de sable du groupe 3, 6,2 ± 0,3 % de calcite en masse. (a) courbe q–ε1 ; (b) courbe εv – ε1 ; (c) profile de calcite des éprouvettes testées ; et (d) image d’éprouvette après cisaillement. Mechanical behavior of group 3 sand samples, 6.2 ± 0.3% calcite in mass. (a) q–ε1 curve; (b) εv – ε1 curve; (c) calcite profile of the tested samples; and (d) sample image after shearing.

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Fig. 6 Comportement mécanique des éprouvettes de sable du groupe 5, 9,5 ± 0,5 % de calcite en masse. (a) courbe q–ε1 ; (b) courbe εv – ε1 ; (c) profile de calcite des éprouvettes testées ; et (d) image d’ éprouvette après cisaillement. Mechanical behavior of group 5 sand samples 9.5 ± 0.5% calcite in mass. (a) q–ε1 curve; (b) εv – ε1 curve; (c) calcite profile of the tested samples; and (d) sample image after shearing.

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Fig. 7 Évolution des propriétés mécanique du sable biocimenté en fonction de la quantité de la calcite. (a) cohésion ; (b) angle de frottement au pic ; (c) angle de frottement résiduel ; et (d) angle de dilatance. Evolution of the mechanical properties of the biocemented sand as a function of the quantity of the calcite. (a) cohesion; (b) peak friction angle; (c) residual friction angle; and (d) dilatancy angle.

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	Fig. 8 Évolution de la perméabilité du sable biocimenté en fonction de la masse de calcite précipitée. Evolution of the permeability of biocemented sand as a function of the mass of precipitated calcite.
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	Fig. 9 Images micro-tomographie RX et MEB des échantillons de sable biocimenté. (a) sable non-traité ; (b) sable traité à 5 % « 9HH » ; (c) sable traité à 7 % « 11HB ». X-ray-micro tomography and and SEM images of the biocemented sand samples. (a) untreated sand; (b) sand treated at 5% “9HH”; (c) sand treated at 7% “11HB”.
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	Fig. 10 Évolution des propriétés microscopiques (proportion de contacts cohésifs et surface recouverte par la calcite) du sable biocimenté en fonction de la masse de calcite précipitée. Evolution of the microscopic properties (ratio of cohesive contacts and sand-coated surface) of the biocemented sand as a function of the mass of precipitated calcite.
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