La biocicatrisation, reposant sur la formation de carbonate de calcium (CaCO3) biosourcé au sein des matériaux cimentaires fissurés, est une alternative durable et écologique aux résines synthétiques. Cette thèse a pour objectif de créer une méthode de biocicatrisation de fissures d’ouvertures comprises entre 150 et 500 µm, en y injectant des bactéries par le biais d’un milieu épaissi favorisant la précipitation de CaCO3 biosourcé. Ce travail de thèse repose sur trois axes : la conception d’un milieu épaissi injectable, l’optimisation de la bioproduction de CaCO3 par la souche bactérienne B. pseudofirmus dans le milieu épaissi, et la biocicatrisation de matériaux fissurés à différentes échelles allant de l'éprouvette de mortier à la dalle de béton, in vitro et in situ. Les essais réalisés ont permis de formuler une suspension thixotropique et rhéofluidifiante à base de Welan et d’Attagel, pouvant être injectée efficacement et sans drainage dans des fissures de 150 à 800 µm d’ouverture. L’ajout d’épaississants n’a pas d’impact sur la croissance bactérienne et augmente la production de CaCO3 par les bactéries. A l’issue du traitement de biocicatrisation, la bioproduction de CaCO3 au sein des fissures a pu être démontrée par microscopie. Celle-ci, combinée avec le dépôt d’argile formé dans les fissures, contribue à leur colmatage et des fissures de 200 µm ont pu être totalement colmatées. Cette thèse a permis de mettre au point une méthode de biocicatrisation se démarquant par sa facilité d’emploi et le cumul entre colmatage abiotique et biologique. / Bio-healing, which relies on the clogging of cracks with bacterial calcium carbonate (CaCO3), is a durable and environment-friendly alternative to synthetic resins. This project aims to design a bio-healing method allowing to repair cracks from 150 to 500 µm wide, through the injection of bacteria using a thickened medium which enhances CaCO3 bioproduction. To achieve this goal, the work was organized according to three phases: the creation and characterization of an injectable thickened medium, the optimization of bacterial growth and bioproduction of CaCO3 in the thickened medium, and bio-healing tests on cracked materials, in a controlled environment and outdoors for both lab and pilot scale. During the rheological experiments, we created a thixotropic and shear-thinning suspension using two thickeners in combination, Welan and Attagel. This suspension can be efficiently injected into 150 and 800 µm wide cracks without post-injection drainage. Adding thickeners does not alter bacterial growth, and increases CaCO3 bioproduction. Biocicatrisation tests revealed that the use of a thickened suspension contributes to sealing of cracks as it dries to form a solid film inside the cracks, and embed the bacteria so they could precipitate significant amounts of CaCO3 despite the constraints of in situ conditions. At the end of the bio-healing treatment, the strain B. pseudofirmus has been proven to precipitate CaCO3 through SEM observations. The experiments which have been performed during this PhD led to the creation of a bio-healing method which holds a true potential for commercial use, as it is particularly easy to use and combines biotic and abiotic sealing of the cracks.

La fissuration dans les matériaux cimentaires est un paramètre clé pour la durabilité des structures. L'impact des fissures sur la longévité est complexe du fait notamment de leur possible évolution durant la vie de l'ouvrage. L'autocicatrisation est un des mécanismes qui influent sur les changements de géométrie et de propriétés de transport dans les fissures. L'autocicatrisation se définit comme le rétablissement de certaines propriétés physiques et mécaniques des matériaux cimentaires placés dans un environnement favorable (température et humidité). Pour accélérer le processus naturel d'autocicatrisation et pour parvenir à cicatriser complètement des fissures larges (largeur d'ouverture > 200 µm), la biocicatrisation semble l'une des méthodes les plus prometteuses. Le principe repose sur le potentiel de certaines bactéries à promouvoir la formation de carbonate de calcium. Leur utilisation au sein du matériau permettrait le colmatage des fissures par la calcite, un produit compatible et durable. L'objectif principal de cette recherche est de mieux comprendre les mécanismes de la biocicatrisation des matériaux cimentaires pour accélérer la cinétique et maximiser l'efficacité du colmatage des fissures relativement importantes. L'approche de biocicatrisation étudiée consiste à imprégner les fissures à l'aide d'un milieu de culture (milieu précurseur) contenant une souche bactérienne adaptée. Ce travail de thèse comporte trois volets : les mécanismes abiotiques de cicatrisation de fissures de mortier, la croissance in vitro de souches bactériennes du genre Bacillus et la biocicatrisation des fissures de mortier. L'étude sur les mécanismes abiotiques porte plus spécifiquement sur l'autocicatrisation naturelle et sur l'influence des précurseurs (urée, lactate de calcium et gluconate de calcium) sur la cicatrisation. L'influence d'une carbonatation initiale des fissures est également évaluée. L'étude de la croissance des bactéries testées vise à sélectionner une souche bactérienne et un milieu de culture permettant de produire une quantité significative de CaCO3 et une croissance bactérienne optimale. L'étude de la biocicatrisation consiste à suivre la cinétique de biocicatrisation de mortiers fissurés préalablement carbonatées et à évaluer l'efficacité du colmatage apportée par ce traitement. Il ressort de ces recherches que le lactate et le gluconate de calcium confèrent une réduction de l'ouverture des fissures fraîches de 70 % et 60 % respectivement, résultant de la formation d'ettringite. Cet effet n'est pas observé sur des fissures pré-carbonatées. Les résultats obtenus sur des fissures pré-carbonatées montrent que le milieu à base de lactate de calcium, de nitrate de calcium et d'extrait de levure, en présence de Bacillus pseudofirmus confère au mortier une capacité de cicatrisation accrue pour des fissures de plus de 200 µm que les phénomènes abiotiques ne peuvent pas colmater. En effet, le taux apparent de cicatrisation obtenu est de plus de 70 % résultant de la formation d'une couche de cicatrisation de plus de 75 µm constituée de calcite mêlée à un biofilm.

La maintenance des ouvrages en matériaux cimentaires fissurés a un coût économique et environnemental considérable, les méthodes de traitement actuelles étant polluantes et d’une efficacité limitée à long terme. La biocicatrisation, reposant sur la formation d’un dépôt de carbonate de calcium d’origine bactérienne au sein des fissures du matériau, est une alternative durable et écologique aux résines synthétiques. Cette thèse a pour objectif de créer une méthode de biocicatrisation de fissures d’ouvertures comprises entre 150 et 500 μm, en optimisant sa mise en oeuvre pour une utilisation commerciale. Cette méthode repose sur l’injection de bactéries dans les fissures, par le biais d’un milieu épaissi favorisant la précipitation de CaCO3 biosourcé. Pour ce faire, ce travail de thèse repose sur trois axes. Dans un premier temps, le milieu épaissi est créé puis ses propriétés rhéologiques sont optimisées à l’aide de mesures rhéologiques et d’essais d’injection dans des éprouvettes de mortier fissurées. Dans un deuxième temps, l’effet de l’épaississement du milieu sur la croissance de B. pseudofirmus et sur la bioproduction de carbonate de calcium est évalué. Enfin, des essais de biocicatrisation sont conduits en conditions contrôlées et en milieu extérieur sur des matériaux fissurés afin de vérifier le potentiel de cette méthode à différentes échelles allant de l'éprouvette de mortier à la dalle de béton. Les essais réalisés ont permis de formuler une suspension thixotropique et rhéofluidifiante en combinant deux épaississants, le Welan et l’Attagel. Cette suspension peut être injectée efficacement et sans drainage dans des fissures de 150 à 800 μm d’ouverture. L’ajout d’épaississants n’a pas d’impact sur la croissance de B. pseudofirmus et augmente la production de carbonate de calcium par les bactéries. Les essais de biocicatrisation ont démontré que l’utilisation de milieu épaissi contribue durablement au colmatage des fissures en formant un film solide lors de son séchage, et constitue un support au sein duquel les bactéries peuvent réaliser le processus de biocicatrisation malgré les fortes contraintes imposées par une utilisation in situ. A l’issue du traitement de biocicatrisation, la production de CaCO3 au sein des fissures par la souche bactérienne d’étude, B. pseudofirmus, a pu être démontrée par des observations microscopiques (MEB). Les essais menés au cours de ce projet ont permis de mettre au point une méthode de biocicatrisation ayant un potentiel pour une utilisation commerciale, se démarquant par sa facilité d’emploi et le cumul entre colmatage abiotique et biologique. / Abstract : Maintenance of cracked cementitious materials comes at a high environmental and economic cost, as current reparation technologies are polluting and lack long-term durability. Bio-healing, which relies on the clogging of cracks with bacterial calcium carbonate, is a durable and environmentfriendly alternative to synthetic resins. Indeed, calcium carbonate, calcite in particular, is a long-lasting material, and bacterial activity does not require the use of any toxic chemicals. Based on a previous study proving the bio-healing potential of the bacteria Bacillus pseudofirmus under controlled conditions, this project aims to design a bio-healing method allowing to repair cracks from 150 to 500 µm wide and fitting commercial use. This method relies on the injection of bacteria in cracks, using a thickened medium which enhances CaCO3 bioproduction. To achieve this goal, the work was organized according to three phases. The first phase is to create and characterize the thickened medium through rheological measurements and injection tests in cracked mortars. For the second phase, the effect of the thickened medium on bacterial growth and bioproduction of CaCO3 is assessed through growth experiments. For the third phase, bio-healing tests are performed in a controlled environment and outdoors on cracked materials in order to confirm the potential of this method for commercial use, for lab and pilot scales. During the rheological experiments, we created a thixotropic and shear-thinning suspension using two thickeners in combination, Welan and Attagel. This suspension can be efficiently injected into 150 and 800 µm wide cracks without post-injection drainage. Adding thickeners does not alter bacterial growth, and increases CaCO3 bioproduction. Biocicatrisation tests revealed that the use of a thickened suspension contributes to sealing of cracks as it dries to form a solid film inside the cracks, and embed the bacteria so they could precipitate significant amounts of CaCO3 despite the constraints of in situ conditions. At the end of the bio-healing treatment, the strain B. pseudofirmus has been proven to precipitate CaCO3 through SEM observations. The experiments which have been performed during this PhD led to the creation of a bio-healing method which holds a true potential for commercial use, as it is particularly easy to use and combines biotic and abiotic sealing of the cracks.