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N° d’ordre : 3787





THÈSE
PRÉSENTÉE A
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES
ET DE L'INGENIEUR
Par Rana, EZZDINE

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Mécanique

ENDOMMAGEMENT DES MONUMENTS HISTORIQUES EN
MAÇONNERIE


Directeur de recherche : Pr. Denys Breysse
Et Mme Sylvie Yotte


Devant la commission d’examen formée de :
Pr. Al-Mukhtar, Muzahim Ecole Polytechnique de l’Université d’Orléans Président
Pr. BREYSSE, Denys Université de Bordeaux 1 Directeur
Pr. FABRE, Richard Univ Examinateur
Pr. KHELIDJ, Abdelhafidh IUT de saint Nazaire Rapporteur
Mme PANTET, Anne Université de Poitiers Rapporteur
Mme YOTTE, Sylvie Université de Bordeaux1 Co-directeur
M. MALAURANT Philippe Université de Bordeaux 1 Invité



Université Bordeaux 1
Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement

Avant Propos
Je tiens tout d’abord à remercier les différents membres du jury pour l’honneur qu’ils m’ont fait en
acceptant de juger ce travail, et en particulier les deux rapporteurs, Mme Pantet, maitre de
conférence de l’Université de Poitiers, et Mr. Khelidj, Professeur de l’IUT de Saint Nazaire , pour l’intérêt
qu’ils ont témoigné à l’égard de mon travail. Je voudrais exprimer aussi ma respectueuse gratitude à
Mr Al-Mukhtar, Professeur de l’Ecole Polytechnique de l’Université d’Orléans, d’avoir présidé mon jury de
thèse
Je tiens à remercier également mes deux directeurs de thèse Mme Yotte et Mr. Breysse du
laboratoire GHyMaC pour leur soutien scientifique tout au long de la thèse. J’adresse tout
particulièrement mes remerciements les plus chaleureux à Mme Yotte pour sa disponibilité durant toute
la durée de la thèse et son investissement dans ces travaux et pour tous les renseignements qu’elle a pu
m’apporter et qui ont pu contribué à l’avancement de ma thèse.
Je remercie Mme Riss, Professeur de l’Université de Bordeaux 1 et directrice du laboratoire GHyMaC,
de m’avoir fait confiance en m’accueillant au sein de son laboratoire.
Je voudrais remercier l’ensemble du personnel de GHyMaC et plus particulièrement Mr. Patrick Sin
qui m’a accompagné et aidé au cours de mes déplacements sur Blaye. J’adresse aussi des
remerciements très chaleureux à Mme Lavenier, Mme Oggian et Mme Chambert qui ont contribué à
faire de ces années de travail des années plus chaleureuses. Je remercie Mr. Loeuillet et Mr. Coutand
de l’IUT de Bordeaux 1 (GMP) pour leur contribution précieuse aux essais mécaniques et Mr. Danis pour
ses conseils scientifiques.
Je me dois également de remercier l’ensemble des doctorants du GHyMaC avec qui j’ai eu le plaisir
de travailler et qui ont su rendre par leur sympathie le bureau des thésards un lieu de travail agréable et
chaleureux. A mes amies et amis : Sophie, Julien, Ben, Wassima, Zohor, Miloud, Merbouh, Marie,
Nicholas, Maximes, Mathilde et les autres.
Je souhaitrais faire part de ma profonde amitié et de mes sincères remerciements à certaines
personnes, qui ont contribué par leur amitié et leur sincérité à me donner du courage et de la
confiance, à ces personnes qui me sont très chères : Sabine, Mohsen, Emna (et Lina), Farah, Jihad,
Hadia (et ses petites).
Enfin, j’ai le bonheur de faire partie d’une famille très unie qui a su par sa solidarité me donner
soutien sans faille tout au long de ces années. Je remercie infiniment ma famille et plus particulièrement
ma mère, mon mari et mes deux frères qui n’ont jamais douté de moi et qui m’ont toujours poussé vers
l’avant. Si ce manuscrit existe, c’est en partie grâce à eux. Que mon mari et ma fille trouvent dans ce
travail une preuve de mon amour.

















































A la personne qui m’est la plus chère au monde, à MariameTable des matières
Table des matières
Introduction générale .............................................................................................. 1
CHAPITRE 1. Altération de la pierre naturelle ..................................................... 5
1.1 Introduction ............................................................................................................. 9
1.2 Principaux facteurs d’altération de la pierre naturelle ...................................... 9
1.2.1 L’humidité ............................................................................................................................9
1.2.2 La cristallisation des sels .................................................................................................. 12
1.2.3 Formation de croûtes ...................................................................................................... 13
1.2.4 Changement de température ...................................................................................... 14
1.2.5 Effet du gel ........................................................................................................................ 14
1.2.6 Biodégradation ................................................................................................................ 15
1.2.7 Dégâts indirects ou techniques ..................................................................................... 16
1.3 Les effets : les maladies de la pierre naturelle .................................................. 16
1.3.1 Exfoliation .......................................................................................................................... 16
1.3.2 Efflorescence .................................................................................................................... 17
1.3.3 Alvéolisation et désagrégation sableuse .................................................................... 17
1.3.4 Salissure et souillure .......................................................................................................... 18
1.4 La citadelle de Blaye ........................................................................................... 18
1.4.1 Aperçu historique de la citadelle de Blaye ................................................................. 19
1.4.2 Les types d’altérations observés sur le site ................................................................... 22
1.4.3 La pierre de Blaye : microstructure de la pierre en œuvre ....................................... 25
1.4.4 Synthèse des mécanismes de dégradation à l’œuvre sur la pierre de Blaye ...... 26
1.5 Conclusions ........................................................................................................... 28
CHAPITRE 2. Mesures de température de la pierre mise en œuvre :
indication sur l’altération de la pierre ................................................................. 29
2.1 Introduction ........................................................................................................... 33
2.2 Notion de cycles d’état provoqués par le climat ............................................ 35
i Table des matières
2.3 Mécanismes de dégradation de la pierre mise en œuvre provoqués par les
variations de la température ......................................................................................... 36
2.4 Pertinence du monitoring microclimatique dans l’étude de l’altération de la
pierre mise en œuvre : exemples d’application (bibliographie) .............................. 37
2.4.1 Simulation au laboratoire de l’altération de la surface de différents types de
roche due à la pollution atmosphérique ................................................................................ 37
2.4.2 Altération de l’andésite et du grès du site de Tiwanaku .......................................... 39
2.4.3 L’altération du grès du site de uKhahlamba-Drakensberg Park .............................. 39
2.5 Les mesures et le matériel expérimental ........................................................... 40
2.6 Mesures de la température : Discussion ............................................................ 42
2.7 La condensation ................................................................................................... 45
2.7.1 Calcul du risque de condensation ............................................................................... 45
2.7.2 Implications pour l’étude de la dégradation de la pierre ........................................ 49
2.8 Mécanismes de transfert de chaleur dans un matériau poreux .................... 49
2.9 Propriétés du matériau liées au transfert thermique ........................................ 50
2.10 Description du modèle ........................................................................................ 53
2.10.1 Hypothèses simplificatrices du modèle ........................................................................ 54
2.10.2 Equations constitutives du modèle ............................................................................... 54
2.10.3 Choix des périodes d’analyse ....................................................................................... 56
2.10.4 Procédé de calcul .......................................................................................................... 57
2.10.5 Données du matériau ..................................................................................................... 60
2.11 Résultats du calcul numérique ........................................................................... 60
2.12 Validation du code de calcul ............................................................................. 64
2.13 Simulation du profil de température dans la profondeur de la pierre ........... 65
2.14 Synthèse des résultats et Conclusions ............................................................... 67
CHAPITRE 3. Caractérisation du matériau vierge ............................................ 71
3.1 Introduction : l’intérêt de caractériser la roche d’origine ............................... 75
3.2 La roche d’origine : caractérisation pétrographique....................................... 76
ii Table des matières
3.2.1 Morphologie et composition chimique (observations au MEB) ............................... 76
3.2.2 Observation en lames minces ....................................................................................... 78
3.3 Choix des paramètres expérimentaux .............................................................. 78
3.3.1 Les propriétés du matériau reliées aux mécanismes de dégradation ................... 78
3.3.2 Les paramètres expérimentaux ..................................................................................... 79
3.4 Méthodes de mesure appliquées ...................................................................... 83
3.5 Erreurs et incertitudes ........................................................................................... 85
3.6 Prélèvement et repérage des éprouvettes ....................................................... 87
3.7 Mesures de la masse volumique apparente du matériau .............................. 88
3.7.1 Résultats globaux ............................................................................................................. 88
3.7.2 Résultats par plaque. Vérification de l’homogénéité des mesures ........................ 89
3.8 Mesures des porosités .......................................................................................... 91
3.8.1 Résultats globaux 91
3.8.2 Résultats par plaque ....................................................................................................... 92
3.9 Mesures de la vitesse de propagation des ondes P ........................................ 94
3.9.1 Résultats obtenus ............................................................................................................. 95
3.9.2 Interprétation des mesures ............................................................................................. 96
3.9.3 Vitesse et propriétés physiques des roches ............................................................... 104
3.10 Mesures de la résistance à la compression .................................................... 116
3.10.1 Résultats expérimentaux............................................................................................... 116
3.10.2 Comportement du matériau en compression uniaxiale ........................................ 119
3.10.3 Résistance et propriétés physiques ............................................................................. 122
3.10.4 Résistance et vitesse des ultrasons .............................................................................. 124
3.11 Mesures du module d’Young ............................................................................ 125
3.11.1 Résultats obtenus ........................................................................................................... 126
3.11.2 Module d’Young et propriétés physiques du matériau .......................................... 127
3.11.3 Module d’Young et propriétés mécaniques du matériau ..................................... 128
3.12 Discussion et conclusions .................................................................................. 129
iii Table des matières
CHAPITRE 4. Essais de vieillissement accéléré réalisés au laboratoire ....... 133
4.1 Introduction ......................................................................................................... 137
4.2 Mécanismes de dégradation par cristallisation ............................................. 138
4.2.1 En milieu naturel ............................................................................................................. 138
4.2.2 En laboratoire ................................................................................................................. 139
4.2.3 Protocole d’essai de vieillissement par cristallisation de sel ................................... 141
4.3 Dégradation sous l’effet simultané du gradient thermique et du gradient
hygrométrique ............................................................................................................... 142
4.3.1 En milieu nature 142
4.3.2 En laboratoire . 143
4.3.3 Protocole d’essai de vieillissement par cycles thermiques ..................................... 143
4.4 Les outils statistiques utilisés .............................................................................. 146
4.5 Résultats des essais de cristallisation de sel .................................................... 147
4.5.1 Changement de l’aspect visuel des éprouvettes dégradées par le sel .............. 147
4.5.2 Perte de masse ............................................................................................................. 148
4.5.3 Réduction des dimensions et des volumes ............................................................... 151
4.5.4 Evolution des porosités .................................................................................................. 153
4.5.5 Vitesse de l’onde P ........................................................................................................ 155
4.5.6 Evolution de la résistance à la compression ............................................................. 156
4.5.7 Passage du laboratoire au milieu naturel : conséquences sur la maintenance 157
4.6 Résultats des essais de vieillissement par cycles thermiques ....................... 160
4.6.1 Modification du réseau poreux ................................................................................... 161
4.6.2 Phénomènes physiques et chimiques pertinents ..................................................... 162
4.6.3 Evolution de la vitesse ultrasonore .............................................................................. 165
4.6.4 Evolution de la résistance mécanique ....................................................................... 166
4.7 Conclusions ......................................................................................................... 167
iv Table des matières
Conclusions générales ........................................................................................ 169
Références bibliographiques .............................................................................. 173
Annexes ................................................................................................................ 185
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