ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL

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1 ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MITIGATION DU PHÉNOMÈNE DE L OCRE FERREUSE PAR CONTRÔLE DES CONDITIONS ENVIRONNEMENTALES Rapport de projet de fin d études soumis comme condition partielle à l obtention du diplôme de baccalauréat en ingénierie Présenté par : Carl de Repentigny Directrice de projet : Louise Millette Co-directeur de projet : Érik Bélanger Département des génies civil, géologique et des mines Le 4 décembre 2007

2 iii Remerciements Il est primordial pour moi de remercier les personnes suivantes, sans lesquelles la réalisation de projet n aurait pas été possible. Érik Bélanger, co-directeur du PFE Pour les conseils judicieux, la flexibilité, les réponses à mes questions et la qualité des interventions que nous avions, aussi courtes ont-elles pu être. Louise Millette, directrice du PFE Pour la rencontre organisée et la transmission de son talent professionnel. Georges Liby Pour l entière disponibilité et la clarté des explications. Collègues chez Jacques Whitford Ltée Pour leur connaissance et leur expérience. De même à tout le monde m ayant épaulé lors de la réalisation de ce projet, Luce de Repentigny; Yvan de Repentigny; Miosotis Rocio Roman Palacios.

3 iv Résumé L ocre ferreuse est une substance gélatineuse qui se caractérise par sa haute teneur en matière organique et sa couleur orangée venant de l abondance d oxydes de fer s y trouvant. Ce corps amorphe a tendance à se former à la surface des drains souterrains, à l interface sol-air des trous pour la percolation de l eau. Comme le titre du projet l indique, son but dans un sens large est de mitiger le phénomène de l ocre ferreuse. Cela est justifié par les effets néfastes de l apparition de ce phénomène; c'est-à-dire le blocage de drains souterrains et, par conséquent, l infiltration d eau dans les infrastructures par le sous-sol. Les systèmes de drainage sont un environnement de prédilection pour la prolifération de l ocre ferreuse. Cela est dû aux multiples interfaces aérobie-anaérobies qu offre ses composantes, qu elles soient la membrane géosynthétique, le granulat net ou encore la conduite de drainage. Plusieurs méthodes ont été éprouvées pour tenter de mitiger le phénomène d ocre ferreuse. La Régie des Bâtiments du Québec suggère, via une brochure, des mesures correctives d envergure importante pour régler le problème tel la pose de cheminée de nettoyage ou encore la réfection de la dalle de béton du sous-sol. D autres interventions sont possibles parmi lesquelles on compte l incorporation de tannin ou de sciure de bois dans le système de drainage, l utilisation de bactéricides à même les conduites et l application de chaux dans l environnement concerné. Aucune des techniques revues n a vraiment fait ses preuves comme un moyen viable et efficace de contrôler ou d éliminer l ocre ferreuse, soit par déficience, soit par pollution excessive de l eau souterraine.

4 v Pour contrôler l ocre ferreuse, il y a deux approches à retenir. Premièrement, il faut promouvoir la recherche pour que des méthodes de mitigation efficaces mais écologiquement non viables puissent être contrôlés pour préserver la qualité de la nappe phréatique. Deuxièmement, il faut que les systèmes drainages, qui sont enfouis, soient plus accessibles pour permettre l entretien régulier comme le rinçage des conduites à basse ou haute pression. Cette dernière approche tient compte du fait qu étant donné la nature très hétérogène des environnements drainés, il n est pas envisageable d éliminer complètement l ocre ferreuse.

5 vi Table des matières REMERCIEMENTS...III RÉSUMÉ... IV TABLE DES MATIÈRES... VI LISTE DES FIGURES...VII LISTE DES TABLEAUX...VII ANNEXES...VIII INTRODUCTION... 1 DESCRIPTION DU PHÉNOMÈNE... 2 COMPOSITION... 2 FORMATION... 2 PROBLÉMATIQUE... 6 DURÉE DU PROBLÈME... 6 AFFINITÉ DE L OCRE FERREUSE POUR LES SYSTÈMES DE DRAINAGE... 6 Le sol drainé... 6 La température... 8 Les conduites... 9 L enveloppe drainante...11 MITIGATION DU PHÉNOMÈNE LA RÉPONSE DE LA R.B.Q PRÉCIPITER LE FER DANS LE SOL Promouvoir l oxydation L application de chaux à la surface du terrain L application de chaux dans les tranchées de drainage INTERVENIR SUR LES COMPOSANTES DU SYSTÈME DE DRAINAGE L enveloppe drainante... 18

6 vii La taille des ouvertures dans la conduite de drainage L UTILISATION DE BACTÉRICIDES L UTILISATION DE PRODUITS CHIMIQUES DÉTERMINATION DU POTENTIEL D OCRE FERREUSE LE SOL L EAU SOUTERRAINE L HISTORIQUE CONCLUSION RÉFÉRENCES Liste des figures Figure 1 Diagramme potentiel-ph du fer 3 Figure 2 Conduite de drainage perforée et conduite de drainage avec fentes 3 Figure 3 Représentation des interfaces aérobie-anaérobies d une conduite de drainage 10 Figure 4 Manifestation de l ocre ferreuse sur les fibres d un géotextile de polyester non tissé 12 Liste des tableaux Tableau 1 Plages de température de croissance des bactéries du fer 8 Tableau 2 Pertes de charges mesurées avant (1977) et après (1979) l apparition du phénomène de l ocre ferreuse 11 Tableau 3 Potentiel de blocage de l ocre ferreuse selon les paramètres de l eau souterraine 22

7 viii Annexes Plan typique d un drain de fondation Représentation du processus de formation de l ocre ferreuse Brochure de la R.B.Q. concernant l ocre ferreuse Fiche technique de conduites de drainage de Rehau Photographies présentant les dommages de l ocre ferreuse Extrait du Règlement de construction de la ville de Rimouski Annexe A Annexe B Annexe C Annexe D Annexe E Annexe F

8 1 Introduction L ocre ferreuse est une substance gélatineuse qui se caractérise par sa haute teneur en matière organique et sa couleur orangée venant de l abondance d oxydes de fer s y trouvant. Ce corps amorphe a tendance à se former à la surface des drains souterrains, à l interface sol-air des trous pour la percolation de l eau. Comme le titre du projet l indique, son but dans un sens large est de mitiger le phénomène de l ocre ferreuse. Cela est justifié par les effets néfastes de l apparition de ce phénomène; c'est-à-dire le blocage de drains souterrains et, par conséquent, l infiltration d eau dans les infrastructures par le sous-sol. Mitiger veut dire «atténuer les effets de quelque chose» ou, plus soigneusement encore, «rendre quelque chose moins douloureux» (CNTRL, ). Il est donc nécessaire de mentionner que le but du projet ne sera donc pas d éliminer le phénomène d ocre ferreuse, mais plutôt d améliorer la condition d un milieu déjà affecté par cette substance. Cela se fera dans un premier temps en se familiarisant avec le phénomène lui-même. Dans un deuxième temps, ce seront les conditions environnementales qui y sont reliées qui seront étudiées afin de comprendre les méthodes de mitigation des effets néfastes de la présence d ocre ferreuse.

9 2 Description du phénomène Composition L ocre ferreuse est de nature filamenteuse dû aux bactéries de cette morphologie qui composent jusqu à 50% de sa masse nette. Elle est cependant amorphe et gélatineuse puisque sa composante principale est l eau (jusqu à 90%). Sa couleur rouille typique lui est conférée par l oxyde de fer (Fe 2 O 3 ) et on peut aussi y trouver de l aluminium, du magnésium ou encore du soufre. De plus, étant donné sa constitution gélatineuse, l ocre ferreuse peut comprendre une importante quantité de particules de sols, comme le sable, qui y adhèrent (jusqu à 30%). Formation L ocre ferreuse est issue de la combinaison de plusieurs facteurs. Voici les étapes (de Mendonca, Ehrlich & Cammarota, 2003) qui mènent à la formation du dit phénomène et les conditions obligatoires pour la réalisation de chacune d elles. Il est nécessaire de mentionner que le processus est décrit pour la formation d ocre ferreuse dans un drain souterrain. Ces étapes sont schématisées à l Annexe B de ce rapport. 1. Solubilisation du fer dans l eau souterraine Le fer se trouve dans à peu près tous les types de sol. Cependant, il ne s y trouve pas toujours sous une forme pouvant se dissoudre dans l eau souterraine. En effet, selon les conditions de ph, de température, de pression partielle et de potentiel électrochimique du sol concerné, on pourra trouver le fer dans sa forme soluble (Fe 2+ ). Voici la courbe potentiel-ph du fer pour illustrer ceci.

10 3 Figure 1 Diagramme potentiel-ph du fer (gracieuseté de C. Legein, 2004) Il est à noter que, premièrement, c est surtout à un ph acide ou neutre qu on retrouve le fer sous forme soluble. Deuxièmement, les conditions électrochimiques du sol doivent assurer la stabilité de l eau (région entre les deux traits pointillés). En dehors de ces conditions, le fer est soit à l était inanimé (Fe) ou encore oxydé (l ion Fe 3+ est très facilement transformé en Fe 2 O 3 ); dans les deux cas, il est précipité. La précédente explication tenait compte de conditions strictement chimiques. Il existe aussi des complexes organo-métalliques contenant du fer soluble (Fe2+ ou Fe3+) qui sont à peu près impossibles à dissocier, sauf à des conditions de ph extrêmes. Un organo-métallique est un corps composé contenant un groupe

11 4 organique lié à l atome d un métal (Office québécois de la langue française, 1984).. Il existe aussi certaines bactéries qui catalysent la réduction de l'oxyde ferreux en fer soluble et qui, ainsi, contribuent à augmenter la concentration de fer soluble dans l'environnement concerné. Ces bactéries sont plus connues par le sigle IRB (de l'anglais Iron Reducing Bacteria) et, sans elles, la réduction des oxydes ferreux dans un sol saturé est virtuellement impossible (Ford, 2005). 2. Migration du fer dissout Avec l eau souterraine, le fer à l état soluble (les ions Fe 2+ et les complexes organo-métalliques) migre vers le système de drainage. 3. Précipitation du fer Aux conditions favorables, la précipitation strictement chimique du fer s opère d une façon lente. Cependant, certaines bactéries (principalement Gallionella ferruginea, Sphaerotilus natans, Leptotrix ochracea) ont la capacité de catalyser ce procédé. Ces organismes tirent de l énergie de la réaction d oxydation du fer dissout, mais certaines conditions doivent être remplies pour qu ils prolifèrent sous forme de biofilm : présence de fer dissout, quantité adéquate d oxygène et disponibilité de nutriments (phosphore, azote et carbone). Un biofilm est une pellicule formée par un regroupement de micro-organismes à la surface d'un solide ou d'un fluide, lesquels génèrent une matrice protectrice et adhésive composée de substances polymères (Office québécois de la langue française, 2007).

12 5 C est l interface aérobie-anaérobie (non-saturé saturé) que représente les systèmes de drainage qui favorise la colonisation de ces bactéries. Celles-ci jouissent aussi de propriétés qui rendent leur confèrent une grande adhésion à la paroi des drains. Elles catalysent donc l oxydation du fer qui transforme sa forme dissoute (Fe 2+ ou Fe 3+ ) en une forme insoluble : l oxyde de fer (Fe 2 O 3 ). Des bactéries dites organotrophes (c.-à-d. dont la source d'énergie est de nature organique) vont, pour ainsi dire, se nourrir de la partie organique des complexes organo-métalliques. Cela a pour effet de libérer le fer soluble s'y trouvant qui sera alors sujet à l'oxydation dont tireront partie les bactéries responsables de l'ocre ferreuse, dites chimiotrophes (c.-à-d. dont la source d'énergie est de nature chimique). C est l agglutination de ces derniers organismes en plus de différentes composantes qui y sont incorporées, dont l oxyde de fer, qui forme la matrice d ocre ferreuse. 4. Vieillissement C est la dernière étape de la formation de l ocre ferreuse. Elle se produit lors de la déshydratation de la matrice ocreuse. Ce phénomène survient lorsque les conditions de température, de ph ou d autres paramètres ne permettent plus la croissance de l ocre ferreuse. La matrice ocreuse perd alors beaucoup de volume et peut devenir très rigide. Elle peut cependant persister à l intérieur des systèmes de drainage pour des mois, voire des années (Gameda, Jutras & Broughton, 1993).

13 6 Problématique Les effets néfastes directs de l agglutination de l ocre ferreuse dans les systèmes de drainage sont la perte d efficacité hydraulique et, éventuellement, le blocage complet. Cette inefficience partielle ou totale entraînera une série de problèmes dont la nature dépend de l environnement drainé. Durée du problème La présence d ocre ferreuse peut être temporaire. Cela se produit lorsque le fer soluble qui alimente le phénomène est disponible en quantités limitées. Si le système de drainage est soumis à un débit constant, le phénomène peut s estomper après une période allant de 3 à 8 ans (Ford, 2005). Cependant, si le fer soluble est disponible à même l environnement drainé, le phénomène d ocre ferreuse est alors permanent; c est-à-dire qu il est considéré qu une quantité illimitée de fer soluble est disponible. C est dans ce dernier cas que le phénomène s avère une problématique substantielle. Affinité de l ocre ferreuse pour les systèmes de drainage Les systèmes de drainage sont des lieux de prédilection pour la prolifération du phénomène d ocre ferreuse. Le plan typique d un drain de fondation d une maison est présenté à l Annexe A de ce rapport. Le sol drainé C est dans le sol drainé que naît le problème par l'apport de fer soluble dans l eau souterraine. Il y a plus d oxydes ferreux et de matière organique, donc de sources d'énergie pour la formation d'ocre ferreuse, dans les sols sableux et de nature organique (terre noire, tourbe, etc.) que dans les sols argileux. Cela est dû à plusieurs facteurs.

14 7 Il s'avère que les bactéries réductrices de fer, décrites à la section 2.2 du présent rapport, sont pour la plupart anaérobies. À l'inverse, pour que le fer contenu dans le sol soit oxydé, donc qu'il soit réductible par ces bactéries, il doit être en présence d'oxygène, c.-à-d. dans des conditions aérobies. Les deux phénomènes ne peuvent donc pas avoir lieu simultanément et doivent de plus se succéder à l'intérieur d'un court laps de temps puisque l'oxyde de fer au contact de l'eau retrouve une forme inutilisable par ces bactéries. Or, le sable a la propriété d'expulser l'oxygène rapidement après avoir été submergé et ceci stimule donc la réduction des oxydes de fer par les bactéries. De plus, les sables sont disposés à contenir de la matière organique que ce soit par l incursion de racines ou encore par la présence d horizons organiques à l intérieur de la couche de sol sableux. Un sol sableux est un sol dont la plupart des grains ont entre 75 µm et 4,75 mm de diamètre (Holtz et Kovacs, 1991). La terre noire, les tourbières et les autres sols organiques sont aussi enclins au problème de l ocre ferreuse puisqu ils contiennent généralement du fer et de la matière organique en abondance. En revanche, les argiles, à moins qu elles soient mêlées à des quantités importantes de matière organique, sont des sols peu propices au développement de l ocre ferreuse ; en voici les causes. Premièrement, le niveau de carbone organique disponible à l intérieur de l argile est habituellement bas. Deuxièmement, il semble y avoir une forte attraction électrochimique entre les particules d argile et les oxydes ferreux (Ford, 2005). Cela empêcherait ces derniers d être entraînés avec l eau souterraine au système de drainage.

15 8 La température L eau souterraine ravitaille les zones affectées par l ocre ferreuse en fer soluble. Ainsi donc, la matrice ocreuse est en contact avec l eau souterraine et la croissance des bactéries dépendra de sa température. Voici un tableau présentant les différentes températures auxquelles certaines bactéries «mangeuses de fer» croîent. Plage de températures de croissance ( C) Bactérie minimale optimale maximale Sphaerotilus Leptothrix Thiobacillus ferroxidans Tableau 1 Plages de température de croissance des bactéries du fer (Cullimore & McCann, 1978) Ces chiffres révèlent, d une part, que la croissance de la matrice ocreuse ne peut pas s effectuer en conditions hivernales (de gel). D autre part, il est peu probable que la température de l eau souterraine soit assez élevée pour inhiber la croissance de ces bactéries. Des observations (Gameda, Jutras & Broughton, 1993) montrent que l eau drainée à la fonte des neiges, alors que l eau est à 1 ou 2 C, contenait de l ocre ferreuse. Celleci était en suspension dans l eau à l exutoire du système de drainage, avait une couleur brun rougeâtre mât et n avait pas une adhérence aussi importante que l ocre ferreuse nouvellement formée. Cela indique que la matrice ocreuse peut subsister dans les systèmes de drainage plusieurs mois (selon la durée de l hiver, l étude ayant été menée dans le comté de Drummond au Québec) même si la température est inférieure à celle requise pour la croissance des bactéries la formant. Cela indique aussi que la température peut avoir un effet sur la nature de l ocre ferreuse, c.-à-d. sur

16 9 sa propriété d adhérence et sa couleur. Selon la même étude, c est lorsque la température de l eau souterraine atteignait 12 C que le dépôt d ocre ferreuse sur le système de drainage s avérait important. L ocre avait alors une couleur rouge orangeâtre et était visqueuse et collante. Dans un contexte comme celui d un système de drainage souterrain où l environnement concerné est naturel et soumis aux intempéries, contrôler la température de l eau souterraine, à la hausse ou à la baisse, est une entreprise virtuellement impossible. Les conduites Les drains souterrains servent un but : recueillir et transporter l eau contenue dans les sols. Ils sont utilisés à multiples escients comme l irrigation des terres dans le milieu agricole ou encore l évitement du soulèvement par le gel des fondations d un bâtiment avec des sols gorgés d eau. La nature-même des conduites installées sous la surface est insidieuse lorsque l ocre ferreuse se manifeste. En effet, ces conduites ont besoin d ouverture pour recueillir l eau souterraine pour qu ainsi elle percole à l intérieur du tuyau lui-même puis coule vers l exutoire : un fossé ou un plan d eau ou les deux un à la suite de l autre. Ces ouvertures peuvent être des trous circulaires de quelques millimètres de diamètre ou encore des fentes minces suivant la circonférence de la section du tuyau et espacées à intervalles réguliers. Une brochure explicite sur de tels produits manufacturés par la multinationale Rehau est incluse à l Annexe D de ce rapport. Dans le cas le plus commun, celui du drainage des fondations d une résidence, certaines municipalités requièrent un diamètre minimal de 100 mm pour une telle conduite (Ville de Rimouski, 2004).

17 10 Figures 2 Conduite de drainage perforée (à gauche, gracieuseté d Aickingrate) et conduite de drainage avec fentes (à droite, gracieuseté de Nextube). Ces conduites sont généralement en plastique (CPV) et donc étanches sur la majorité de leur surface. L eau s écoule à l intérieur et l espace disponible restant est occupé par l air. L eau qui percole sur le pourtour de la section du tuyau vers l intérieur de ce dernier et celle qui s écoule est donc en contact avec de l oxygène. Il y a donc une opportunité localisée à catalyser l oxydation du fer dissout dans l eau souterraine pour les bactéries responsables de l ocre ferreuse qui sont aérobies. Figure 3 Représentation des interfaces aérobie-anaérobies d une conduite de drainage

18 11 Des observations faites dans la région de Drummondville (Gameda, Jutras & Broughton, 1983) montrent qu en 2 ans, la prolifération d ocre ferreuse dans de telles conduites de drainage ont fait tripler, voire quadrupler, la perte de charge encourue par l eau lors de son ruissellement. La perte de charge est la diminution de l'énergie d'un fluide dans une canalisation, exprimée en hauteur de fluide (Office québécois de la langue française, 1991). Voici un tableau présentant les différentes pertes de charge mesurées lors de l étude. À noter que ces valeurs sont obtenues avec un taux de drainage de 5 mm/d. Perte de charge (cm) Ligne A Ligne B Environnement drainant Tableau 2 Pertes de charges mesurées avant (1977) et après (1979) l apparition du phénomène de l ocre ferreuse (Gameda, Jutras & Broughton, 1983). L enveloppe drainante Les membranes géosynthétiques ou la pierre nette ou les deux à la fois forment ce qu on appelle l enveloppe drainante autour des conduites de drainage. Le but d une telle enveloppe est d empêcher les particules de sol d atteindre la conduite de drainage, mais de permettre la percolation de l eau.

19 12 Un géosynthétique est un matériau synthétique sous forme de textile, de non-tissé, de membrane, de filet, etc., destiné à des travaux d'aménagement des sols (Office québécois de la langue française, 1995). Il a de multiples usages, mais il peut être utilisé pour isoler l environnement de la conduite de drainage. Comme dans le cas de cette dernière, mais à plus petite échelle, les interstices entre les fibres des géosynthétiques offrent de même que leur surface-même représentent une interface aérobie-anaréobie. Une étude menée sur différents géosynthétiques (de Mendonca & Ehrlich, 2006) montre que la formation d ocre ferreuse à l intérieur de ceux-ci peut diminuer leur conductivité hydraulique d un facteur allant jusqu à 45.3, quoique ces valeurs se trouvaient généralement entre 2 et 15. La pierre nette est un matériau de construction composé de granulats ayant environ le même diamètre, soit typiquement entre 5 et 50 cm. La pierre nette, ou granulat net, sera utilisée pour recouvrir les conduites et drainer l eau qui s écoule entre ses granulats puisqu entre ces derniers, il se forme un réseau de cavités, faute de granulats de plus petites dimensions pour remplir les espaces. Ce sont ces cavités qui offrent aux bactéries de l ocre ferreuse l interface aérobie-anaérobie dont elles ont besoin. Figure 4 Manifestation de l ocre ferreuse sur les fibres d un géotextile de polyester non tissé (de Mendonca, Ehrlich & Cammarota, 2003).

20 13 Tous ces facteurs rendent la suppression du phénomène d ocre ferreuse très problématique puisque, en somme, les mêmes caractéristiques qui permettent au système d être efficacement drainant le rendent vulnérable aux bactéries mangeuses de fer.

21 14 Mitigation du phénomène Lorsque les conditions favorables au développement de l ocre ferreuse sont réunies, il est presque impossible d en prévenir l apparition. Pour qu une telle chose soit possible, comme il est décrit dans les précédentes sections du présent rapport, il faudrait priver le sol drainé de deux éléments fondamentaux : l eau et l air. Cela est donc impensable. De plus, si on élimine le fer à proximité des systèmes de drainage en procédant à l excavation complète des sols drainés puis au remblayage, le métal en question migrerait des sols avoisinants jusqu à l environnement concerné. Ce constat aux conditions plutôt inéluctables suggère que toute tentative de pallier le phénomène d ocre ferreuse serait une mitigation puisque, selon les connaissances actuelles, il n existe pas de moyen viable de prévenir ou d éliminer la prolifération de ces bactéries mangeuses de fer. La présente section se limite aux méthodes de mitigation. Néanmoins, un aperçu sera donné en premier lieu de la réponse des autorités du Québec au problème causé par le phénomène. La réponse de la R.B.Q. «Assurer la qualité des travaux de construction et la sécurité des personnes qui accèdent à un bâtiment ou à un équipement destiné à l'usage du public ou qui utilisent une installation non rattachée à un bâtiment» (Loi sur le bâtiment, c. 1, s. 1.). telle est la mission de la Régie du bâtiment du Québec (la Régie). Elle est, en somme, l appareil qui permet au ministre du Travail du Québec de gérer et de faire respecter la La loi sur le bâtiment. La Régie a émis une brochure à vocation informative intitulée «L ocre ferreuse, des réponses à vos questions» (R.B.Q., 2007). Celle-ci est incluse à l Annexe C de ce rapport. Des méthodes de prévention

22 15 du phénomène de l ocre ferreuse avant la construction des systèmes de drainage y sont proposées ainsi que des moyens pour y remédier après leur construction. En amont du phénomène, la Régie dirige les futurs acquéreurs de systèmes de drainage vers les experts qui pourront déterminer le potentiel d apparition d ocre ferreuse de la région à drainer. La R.B.Q. cite en outre quelques paramètres dont le présent rapport a déjà fait état; c est-à-dire le ph du sol, le niveau de la nappe phréatique (sa variation au cours des mois), le type de sol, la teneur en fer dans l environnement et la présence visible d ocre ferreuse dans les points d eau à proximité. Très pertinemment, le dépliant informe aussi le lecteur qu il est capital de s informer aux voisins et à la municipalité quant au récit de possibles apparitions d ocre ferreuse aux environs au cours des années. Ainsi donc, en fonction de l état de l environnement concerné, la conception du système de drainage et même des fondations du bâtiment sera modifiée pour minimiser l impact futur qu aura l apparition de l ocre ferreuse. Des composantes telles la position des membranes géotextiles, le design de la dalle de béton ou la nature du granulat de remblai sont alors à revoir. En aval du phénomène, la Régie avance une batterie de méthodes atténuantes. L efficacité et l application particulière de plusieurs d entre elles seront explicités plus loin dans cette section. Il s agit substantiellement de travaux de génie civil relativement sévères. L installation de cheminées de nettoyage, la modification de la pente du terrain ou encore la pose d une membrane d étanchéité sont autant d opérations qui requièrent la mobilisation de machinerie d excavation. Comme dernier point, la R.B.Q. envisage aussi la condamnation du sous-sol.

23 16 Précipiter le fer dans le sol L information concernant les méthodes de mitigation de l ocre ferreuse incluses dans cette section sont tirées, sauf indication, de deux rapports techniques, soit le «Iron ochre control methods, a litterature review» du Ministère de l Agriculture et de l Alimentation de la Colombie-Britannique (1988) et le «Iron ochre and related sludge deposits in subsurface drain lines» de H.W. Ford, révisé par D.Z. Hamon (2005). Promouvoir l oxydation Promouvoir l oxydation revient à encourager la présence d air dans les sols ou, du point de vue inverse, à éviter l inondation de l environnement drainé. Toutes les pratiques encourageant cette méthode sont valables théoriquement puisque l oxygène en contact avec le fer dans le sol l oxydera et le fera précipiter, le rendant ainsi inutilisable par les bactéries responsables de l ocre ferreuse. Il n y a pas vraiment de techniques d aération des sols, comme le préséchage des sols, qui s est avérée efficace. Cela est dû au fait que même si le fer est précipité en premier lieu, il peut retourner à l état soluble si les conditions environnementales le permettent. Le préséchage des sols consiste en du drainage-taupe, c est-à-dire en la création de galeries à même le sol qui mènent vers un fossé commun. Évidemment, cette technique ne fonctionne qu avec les sols assez plastiques qui contiennent au moins 30% d argile.

24 17 En Allemagne, il est proposé de présécher le sol en creusant des tranchées qu on laisse en place durant 2 à 3 années, de façon à précipiter le fer contenu dans les sols. Ensuite, on indique de procéder à un système de drainage à deux palliers, avec une conduite de drainage placée plus haute que l autre pour éviter les inondations occasionnelles. L application de chaux à la surface du terrain Cette technique se base sur les prémisses que le calcium contenu dans la chaux (CaCO 3 ) catalyse l oxydation du fer dans le sol et que cette chaux entraîne une hausse du ph dans le sol qui nuit à la croissance des micro-organismes indésirables. D une part, l application de chaux à la surface du terrain encouragerait l oxydation du fer et donc sa précipitation en une forme inutilisable par les bactéries de l ocre ferreuse. D autre part, lorsqu un ph de 8,2 ou davantage est atteint, on considère que le phénomène d ocre ferreuse est sous contrôle 1. Cette technique s est toutefois avérée inefficace. Premièrement, la quantité de chaux requise est très importante et cela est dû à plusieurs facteurs. D un côté, dans un climat humide, on peut perdre jusqu à 0,8 tonnes par hectare par année de chaux épandue 1. De l autre côté, plus la quantité de chaux épandue est importante, plus la quantité de fer immobilisé l est aussi et pour contrer l ocre ferreuse, cette pratique doit être vue comme un projet à long terme. Deuxièmement, l épandage de chaux à la surface d un sol ne permet pas d augmenter le ph de tout le profil en profondeur. Lors d un essai en Floride (Ford, 2005), cela a eu pour effet d encourager le phénomène d ocre ferreuse en faisant passer le ph de l environnement drainé de 4,2 1 Ministère de l Agriculture et de l Alimentation de la Colombie-Britannique, 1988

25 18 à 6,0, valeur qui vraisemblablement favorise l activité des bactéries mangeuses de fer. L application de chaux dans les tranchées de drainage Cette technique s apparente beaucoup à la précédente à la différence qu au lieu d épandre de la chaux à la surface du sol, on la répartit dans les tranchées, c est-à-dire à l environnement directement en contact avec le système de drainage. Cette méthode est aussi inefficace que la première. Comme il l a été décrit dans ce rapport, l environnement en contact avec les conduites de drainage est en un drainant, comme de la pierre nette. L application de chaux dans un tel lieu provoque le blocage des interstices servant à drainer l eau souterrain et va ainsi à l encontre du but premier du système. Même avec la pierre de chaux, le même problème survient (Ford, 2005). Intervenir sur les composantes du système de drainage L enveloppe drainante Pour ce qui est du granulat drainant, les matériaux ayant une granulométrie étalée (par opposition à la pierre nette) résistent mieux à la formation d ocre ferreuse étant donné que les interstices sont comblés entre les granulats. Cependant, ce type de matériau peut aussi être envahi par l ocre ferreux si des conditions très favorables se présentent. L eau y percole aussi à un rythme plus lent puisque le réseau de cavité se trouve diminué, ce qui favorise la saturation de l environnement immédiat. Le choix de la membrane géosynthétique influe peu sur l apparition de l ocre ferreuse. En effet, une étude (de Mendonca & Ehrlich, 2006) démontre que plusieurs

26 19 types de géotextiles peuvent être affectés d une façon significative sur le plan de la capacité de percolation de l eau. Les géotextiles testés étaient un polyester non-tissé, un polypropylène tissé et un autre qui ne l était pas. Des études ont été menées pour connaître les effets bénéfiques d incorporer de la sciure de bois aux enveloppes de drainage. La sciure de pin ne fait pas l affaire puisqu elle se désintègre avec le temps. Ce seraient les sciures de chêne et de cyprès qui, en plus de perdurer dans le temps, qui seraient les meilleures alternatives car elle crée un environnement anaérobique qui nuit à l ocre ferreuse. L utilisation de matière organique dans l enveloppe doit être fait avec beaucoup de parcimonie puisque, plus souvent qu autrement, cette matière finira par se décomposer et ainsi boucher le système de drainage et encourager la prolifération des bactéries de l ocre ferreuse. L incorporation de tannin (on voit aussi «écorce») dans les enveloppes drainantes est considérée comme une excellente approche pour inhiber l activité bactérienne qui engendre l ocre ferreuse. Le tannin est une matière extraite de certains produits végétaux (écorces d'arbre, noix de galle, etc.) au moyen d'un solvant, et qui est employée en solution aqueuse, généralement en association avec le sulfite de sodium, pour le dégazage des eaux de chaudières (Office québécois de la langue française, 1974). L intérêt pour le tannin vient du fait qu il peut former des complexes avec le fer et qu il inhibe les bactéries du fer lorsqu il est à une concentration de 10 ppm dans l eau souterraine drainé. Cependant, cette méthode a plusieurs désavantages. D une part, le tannin est un matériau difficile à se procurer et les copeaux d écorce dans lesquelles ils sont compris en contiennent une quantité presque impossible à déterminer. D autre part, lorsque le tannin réagit avec le fer, il forme de l encre, c est-à-dire un liquide noir et visqueux ce qui contamine l eau drainé au-delà des limites permises.

27 20 La taille des ouvertures dans la conduite de drainage Des informations nous indiquent que plus les ouvertures d une conduite de drainage sont grandes, plus le phénomène d ocre ferreuse tarde à détériorer l efficacité hydraulique de celle-ci. Il faut toutefois que les dimensions de ces ouvertures n excèdent pas le diamètre du granulat net à proximité. L utilisation de bactéricides Certaines conduites contiennent un biocide, c est-à-dire une substance qui tue tout micro-organisme. Cette substance est mélangée au plastique lors de la fabrication du tuyau. Cependant, des doutes subsistent quant à l efficacité de cette pratique puisque lorsque l ocre ferreuse se développe sous forme de biofilm, il se forme un mince revêtement à sa surface qui la rend quasi invulnérable aux attaques chimiques. La technique serait viable pour un problème d ocre temporaire. L utilisation de produits chimiques En laboratoire, plusieurs produits chimiques désinfectants ont subi des tests quant à leur efficacité à miner les concentrations de bactéries du fer (Cullimore & McCann, 1978). Les plus efficaces à cet escient se sont avérés le permanganate de potassium et le polymère d iode synthétisé par Levine. De tels résultats ne peuvent cependant pas être appliqués directement aux systèmes de drainage pour deux raisons. Premièrement, ces tests ont été effectués sur des bactéries isolées, hors de la matrice ocreuse qui offre une protection contre les attaques chimiques. Deuxièmement, l utilisation de produits chimiques dans l eau souterraine à des concentrations assez élevées pour inhiber les bactéries de l ocre ferreuse résulte presque inévitablement en une violation des limites de concentrations de contaminants prescrites.

28 21 Détermination du potentiel d ocre ferreuse Pour savoir si dans un environnement s est développé de l ocre ferreuse où s il est disposé à en connaître l apparition, il y a trois principales sources d information desquelles s instruire. Le sol Comme il est discuté dans ce rapport, ce sont les sols sableux et les sols à forte teneur en matière organique où l ocre ferreuse est plus susceptible à se développer. De plus, si le niveau de la nappe phréatique est haut et changeant selon les saisons, l ocre ferreuse a aussi plus de chances d apparaître. Lors d une tranchée d exploration, par exemple, il est important d être attentif aux signes suivants : La grosseur et la nature des grains du sol. Cela détermine si on est face ou non d un sol à risque, comme un sable ; La couleur, et le changement de couleur selon la profondeur. Une tâche de couleur rouille indique la présence de fer oxydé. Du sol de couleur grise près de la surface indique un niveau de nappe phréatique haut. Plusieurs horizons de couleurs différentes indiquent un changement fréquent du niveau de la nappe phréatique. Ce sont tous là des signes d un fort potentiel au développement de l ocre ferreuse ; La présence de matière organique comme des racines ou de la matière friable noire. La nature fibreuse du sol trahit aussi une forte teneur en matière

29 22 organique. Cette matière organique nourrit aussi le phénomène des bactéries mangeuses de fer ; La présence d ocre ferreuse elle-même, la substance géalitineuse, parfois filamenteuse, de couleur rouille. On peut en observer des photographies à l Annexe E de ce rapport. L eau souterraine S il ya des plans d eau à proximité de l environnement concerné comme un ruisseau, un fossé ou un lac, il est important d y porter attention. Des filaments de couleur rouille ou encore une matrice gélatineuse de la même couleur s y trouvant signifie que l ocre ferreuse prolifère aux alentours. Si l eau observée a une couleur allant du jaune à l orange foncé, c est aussi un signe des bactéries mangeuses de fer. S il n y a pas de signe visible de présence d ocre ferreuse à ces points d eau, il est judicieux de faire analyser l eau en question par un laboratoire accrédité. Les deux paramètres les plus importants à analyser sont alors la concentration en ions Fe 2+ et le ph, d autant plus qu ils fonctionnent de pair pour déterminer le potentiel d apparition de l ocre ferreuse. Concentration d ions Fe 2+ (mg/l) ph < 7 ph > 7 Potentiel de blocage par l ocre ferreuse < 0,5 < 1,0 Aucun 0,5 à 1,0 1,0 à 3,0 Léger 1,0 à 3,0 3,0 à 6,0 Moyen 3,0 à 6,0 6,0 à 9,0 Grand > 6,0 > 9,0 Très grand Tableau 3 Potentiel de blocage de l ocre ferreuse selon les paramètres de l eau souterraine (Kuntze, 1982)

30 23 L historique Les anciens propriétaires du lieu, les voisins, la municipalité sont autant d intervenants avec lesquels il est important de communiquer pour connaître la situation d un environnement quant à son potentiel d ocre ferreuse. Ce phénomène en est un récurrent duquel il est très difficile de se débarrasser et, ainsi, s il y a un potentiel pour son apparition, il y a de fortes chances que ce ne sera pas la première fois. Des sentences et des règlements concernant des cas d ocre ferreuse émis par la R.B.Q. sont également disponibles via le site du Réseau de protection du consommateur du Québec.

31 24 Conclusion L eau et l air : voilà deux composantes qu on devrait éliminer des environnements drainés pour éviter la formation d ocre ferreuse dans ceux-ci. «Faut faire avec» chantait Gilbert Bécaud 1. Plusieurs facteurs rendent l ocre ferreuse aussi problématique. Premièrement, son approvisionnement en fer est impossible à éliminer complètement. Des années d oxydation des sols à proximité ou même l excavation de ces derniers n empêcheront pas le fer soluble, présent dans à peu près tous les types de sol, de migrer vers l environnement drainé. Deuxièmement, les systèmes de drainage représentent un lieu de prolifération tout indiqué pour les bactéries mangeuses de fer. Ce qui fait un bon système drainage fait un bon foyer d ocre ferreuse. Troisièmement, la matrice ocreuse formée à partir de biofilms est une véritable forteresse, bien dissimulée sous terre, pour les tentatives de l éliminer soit chimiquement ou physiquement. Sa grande adhérence et sa nature filamenteuse la protégeant contre les méthodes physiques et son enveloppe la gardant des attaques chimiques. Il y aurait deux façons de contrôler l ocre ferreuse de façon efficace. D une part, il faudrait pouvoir se servir de méthodes possiblement nuisibles à l environnement, mais efficaces comme l incorporation du tannin ou encore l utilisation de produits chimiques désinfectants, mais en ayant la possibilité de contrôler les rejets d eau souterraine à un coût viable pour qu ils ne représentent pas un risque écologique. Il 1 Chanteur compositeur, pianiste et acteur français (né 1927, mort 2001).

32 25 ne s agit surtout pas d alléger les tolérances quant à la qualité de l eau souterraine, mais bien de promouvoir la recherche au niveau des produits chimiques. D autre part, il faut faciliter l accès le plus possible aux zones potentiellement affectées par l ocre ferreuse. Les systèmes de drainage sont enfouis et, à moins de travaux importants, sont quasi-inaccessibles lorsque l ocre ferreuse apparaît. Comme le suggère la R.B.Q., l installation de cheminées de nettoyage est tout indiquée à cet effet. On peut alors effectuer de l entretien régulier et préventif comme du rinçage à haute ou basse pression ou encore l incorporation de cuivre pour éliminer les rejets orangeâtre à l exutoire du système de drainage. Un environnement drainé, un sol, une terre est un milieu tellement changeant qu il serait difficile d y réunir toutes les conditions nécessaires au contrôle de l ocre ferreuse et, encore plus, d appliquer cette méthode à l ensemble des propriétés. La mitigation de l ocre ferreuse doit donc continuer de faire l objet d études et non pas son élimination. On doit se munir de moyens pour contrôler la matrice ocreuse dans son ensemble, ce regroupement de bactéries qui rongent même le Titanic depuis près d un siècle.

33 26 Références Articles de revue de Mendonca, M.B., Ehrlich, M. (2006).Column Test Studies of Ochre Biofilm Formation in Geotextile Filters. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ASCE, édition d octobre 2006, de Mendonca, M.B., Ehrlich, M., & Cammarota, M.C. (2003). Conditioning factors of iron ochre biofilm formation on geotextile filters. Canadian Geotechnical Journal, 40, Fry, C. (2003). Iron rations. NewScientist. Édition du 26 juillet Gameda, S., Jutras, P.J. & Broughton R.S. (1983). Ochre in a Quebec fine sandy soil. Canadian Agricultural Engineering. 25(2), Sharma, S.K., Petrusevski, B., & Schippers, J.C. (2005). Biological iron removal from groundwater : a review, Journal of water supply : research and technology - AQUA, 54(4), Tuovinen, O.H., Nurmiaho, E.L. (1979). Microscopic Examination of Bacteria in Fe(IIl)-Oxide Deposited from Ground Water, Microbial Ecology, 5, Communications personnelles Liby, Georges (2007). Intervenant détenant des notions sur la manifestation de l ocre ferreuse sur le terrain. Livre Holtz, R.D. & Kovacs, W.D., traduit par Lafleur, J. (1991). Introduction à la géotechnique, Montréal : Éditions de l École Polytechnique de Montréal. Loi et règlement Ville de Rimouski (2004). Règlement de construction. Règlement , s. V. Québec (2007). Loi sur le bâtiment. L.R.Q. Chapitre B-1.1. Québec : Éditeur officiel du Québec. Notes de cours Legein, C. (2004). Chimie en solution et État solide périodique : le fer et ses ions. Notes du cours DEUG-SM1 - UEF4 : Chimie, Université du Maine.

34 27 Rapport techniques Colombie-Britannique (1988). Iron ochre control methods, a litterature review. Document , Ministère de l Agriculture et de l Alimentation de la Colombie-Britannique. Cullimore, D.R., McCann, A.E. (1978). The Identification, Cultivation and Control of Iron Bacteria in Ground Water. Éditions Skinner & Shewan Academic Press. Ford, H.W., rév. par Hamon, D.Z. (2005). Iron ochre and related sludge deposits in subsurface drain lines. Document CIR671, Agricultural and Biological Engineering Department, Florida Cooperative Extension Service, Institute of Food and Agricultural Sciences, Université de Floride. U. S. Environmental Protection Agency, Office of Solid Waste and Emergency Response (2003). Ecological Soil Screening Level for Iron (OSWER Directive ). Washington, DC : U. S. Environmental Protection Agency, Office of Solid Waste and Emergency Response. Ressources Internet Le Réseau de protection du consommateur du Québec. Netafim USA. Recommandations for Control of Iron. Document PDF tiré de Régie du bâtiment du Québec (2007). L ocre ferreuse, des réponses à vos questions. Document 2313, brochure en format PDF tiré de

35 Page laissée blanche intentionnellement

36 Annexe A Plan typique d un drain de fondation

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38 Annexe B Représentation du processus de formation de l ocre ferreuse

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40 Annexe C Brochure de la R.B.Q. concernant l ocre ferreuse

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42 Annexe D Fiche technique de conduites de drainage de Rehau

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44 Annexe E Photographies présentant les dommages de l ocre ferreuse

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46 Annexe F Extrait du Règlement de construction de la ville de Rimouski

47 Légende 1 Conduite de drainage Environnement drainant (pierre nette recouverte ou enrobée d une membrane géosynthétique). 3 Isolant de la fondation Fondation. 5 Semelle de la fondation Dalle du plancher du sous-sol. 7 Sol drainé. Figure 1 Vue en profil d un drain de fondation typique (gracieuseté du Ministère des Ressources naturelles du Canada).

48 Figure 1 Représentation du processus de formation de l ocre ferreuse

49

50 L ocre ferreuse est le résultat d une réaction chimique ou d un processus biologique, les deux pouvant se produire individuellement ou simultanément : RÉACTION CHIMIQUE : lorsque le sol contient du fer, celui-ci migre avec l eau vers le drain et forme au contact de l air une boue d hydroxyde de fer; PROCESSUS BIOLOGIQUE : lorsque la ferrobactérie est présente dans la nappe phréatique 1, elle produit, à la suite de l oxydation du fer au contact de l air, une masse gélatineuse. Lorsque le processus biologique vient s ajouter à la réaction chimique, l effet d oxydation est considérablement augmenté. Le développement de ce processus est plus propice dans un sol plus aéré, comme les sols sablonneux contenant du silt 2, et moins propice dans un sol argileux. LA RÉACTION CHIMIQUE OU BIOLOGIQUE EST ÉGALEMENT PLUS RAPIDE : là où le sol est plutôt neutre (PH autour de 7); lorsque le drain est rainuré; lorsque les ouvertures du drain sont poinçonnées au lieu d être découpées, ce qui donne plus de prise aux dépôts; lorsque le drain est enveloppé d une membrane filtrante. Sous l action de l ocre ferreuse, même le gravier concassé perd ses propriétés filtrantes. Les sols riches en fer et en ferrobactérie produiront des dépôts ferreux indéfiniment. Le résultat de l un comme de l autre est la formation d un dépôt visqueux sur les parois des drains rainurés et c est ce dépôt que l on nomme «ocre ferreuse». 1. Nappe d eau souterraine avec ou sans écoulement extérieur. Dépôt sur les parois d un drain de fondations L OCRE FERREUSE : occasionne des dépôts de boue gluante de couleur ocre dans le bassin de captation des eaux pluviales et dans les fossés; cause des dépôts rougeâtres sur la dalle de béton des soussols; ces dépôts dégagent des odeurs semblables au soufre; Dépôts rougeâtres sur la dalle de béton des sous-sols obstrue les drains agricoles; l eau de ruissellement n étant plus canalisée loin des fondations, elle s infiltre dans les sous-sols, à la jonction des murs de fondation et de la dalle; obstrue les clapets antirefoulement. Dépôt de boue gluante de couleur ocre dans le bassin de captation des eaux pluviales 2. Produit de l érosion dont le calibre se situe entre le sable et l argile.

51 PEUT-ON ÉLIMINER L OCRE FERREUSE OU EMPÊCHER LE DÉVELOPPEMENT DE LA BACTÉRIE? Le fer est présent naturellement dans le sol et il est donc peu possible de l éliminer. Même en remplaçant le sol au pourtour du bâtiment, le fer provenant des sols avoisinants migrerait à nouveau vers le drain de la propriété par ruissellement naturel de l eau. Pour éliminer le développement de la bactérie, il faudrait faire disparaître dans le sol les deux éléments naturels que sont l eau et l air, ce qui n est pas possible. Il n est donc pas envisageable d empêcher la réaction chimique qui crée l ocre ferreuse. COMMENT LA PRÉVENIR OU Y REMÉDIER? Une évaluation des conditions existantes devrait être réalisée avant de procéder à la construction. Cette évaluation, effectuée par un professionnel, établira : le type de sol; le PH du sol; la présence de fer ou de ferrobactérie dans le sol; la variation annuelle du niveau de la nappe phréatique. Le résultat de cette évaluation permettra à l entrepreneur de procéder à la construction du bâtiment de façon à éviter les impacts de la formation de l ocre ferreuse. Les adaptations peuvent toucher les éléments suivants : le niveau de la dalle de béton du sous-sol, afin de la situer au-dessus de la nappe phréatique; le choix du drain agricole (diamètre, dimension et emplacements des ouvertures, composition); l emplacement de la membrane géotextile; le type de remblai granulaire. Si l emplacement de la construction demeure potentiellement à risque, il est recommandé d aménager deux cheminées de nettoyage afin de permettre le nettoyage du drain si nécessaire. Exemple de correctif en procédant par l extérieur Avant la construction La vigilance est de mise s il y a des signes précurseurs tels que la présence, après une pluie, d eau rougeâtre dans les fossés ou en surface. Lors de la construction d une propriété, il est recommandé d effectuer auprès des voisins et de la municipalité une vérification des antécédents du voisinage concernant le risque de formation d ocre ferreuse.

52 Après la construction La vigilance est aussi de mise s il y a des signes précurseurs tels qu un haut taux d humidité au sous-sol, une inondation récente ou la présence d eau rougeâtre dans les fossés ou en surface après une pluie. Les correctifs possibles à apporter aux bâtiments existants afin d atténuer les symptômes de l ocre ferreuse varient selon l emplacement, mais peuvent nécessiter : la modification de la pente du terrain; le scellement à la jonction du mur de béton et de la dalle de béton; l installation de cheminées de nettoyage; le drainage sous la dalle; l installation d un enduit hydrofuge; la pose d une membrane d étanchéité; le rehaussement de la dalle du sous-sol; la condamnation du sous-sol. Installation type de cheminées de nettoyage Exemple de correctif en procédant par l intérieur

53 CONCLUSION La Régie du bâtiment du Québec (RBQ) recommande aux nouveaux acheteurs ainsi qu aux constructeurs de maisons neuves de s informer auprès de la municipalité afin de vérifier si l emplacement de la future maison est propice à la formation d ocre ferreuse; le cas échéant, des mesures préventives pourront être prises. La Régie rappelle qu on ne peut éliminer le processus de formation de l ocre ferreuse et recommande aux propriétaires aux prises avec celle-ci de consulter un professionnel ou un entrepreneur détenant une licence RBQ appropriée qui pourra faire en sorte d en éviter ou d en minimiser les impacts. Vous pouvez consulter les sites Internet suivants pour une information détaillée sur le sujet : La Régie du bâtiment du Québec remercie tous ceux qui ont contribué gracieusement au contenu de ce dépliant en partageant leurs connaissances et leur expertise sur le sujet. Photos : Centre IEB, Drainages de la Capitale ( )

RÉACTION CHIMIQUE : lorsque le sol contient du fer, celui-ci migre avec l eau vers le drain et forme au contact de l air une boue d hydroxyde de fer;

RÉACTION CHIMIQUE : lorsque le sol contient du fer, celui-ci migre avec l eau vers le drain et forme au contact de l air une boue d hydroxyde de fer; L ocre ferreuse est le résultat d une réaction chimique ou d un processus biologique, les deux pouvant se produire individuellement ou simultanément : RÉACTION CHIMIQUE : lorsque le sol contient du fer,

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