Endommagement des monuments historiques en maçonnerie

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Sous la direction de Denys Breysse, Sylvie Yotte
Thèse soutenue le 27 avril 2009: Bordeaux 1
La pierre monumentale subit au fil du temps des mécanismes de dégradation physiques, chimiques et biologiques qui détruisent l’épiderme des monuments et affectent la structure porteuse et sa stabilité. La compréhension des mécanismes de dégradation est nécessaire pour les gestionnaires d’ouvrages surtout que les études menées jusqu’à présent sont souvent incomplètes. Dans cette problématique, une étude de la dégradation de la pierre calcaire de Blaye est réalisée en collaboration avec le projet européen Medachs et la mairie de Blaye. Cette étude est composée de deux parties principales réalisées sur le site et en laboratoire. L’étude in-situ consiste à appareiller une pierre de façon à avoir la température de l’air et à la surface, à l’extérieur et à l’intérieur du bâtiment, et à 3 profondeurs dans la pierre. Un modèle numérique alimentée par les résultats des mesures expérimentales est élaboré pour estimer la valeur de la conductivité thermique du matériau. La pierre est alors découpée en 3 épaisseurs et la conductivité thermique est calculée pour chaque épaisseur en appliquant une méthode d’optimisation (Powell). La variation de la conductivité est directement liée à celle de la porosité et donc de l’état d’altération du matériau. L’étude au laboratoire est réalisée en deux étapes. En premier temps, des éprouvettes du matériau vierge en provenance de la carrière locale sont utilisées pour caractériser l’état initial du matériau. Pour cela, des paramètres physiques (masse volumique, porosités) et des paramètres mécaniques (vitesse ultrasonore et résistance mécanique) sont mesurés et identifiés. En deuxième temps ,nous réalisons des essais de vieillissement accéléré par action des sels et par action des cycles hygrothermiques. Les essais montrent la fragilité du matériau et mettent en évidence une résistance très faible face à la cristallisation de sels. Le travail réalisé, à la fois en laboratoire et in-situ, met en évidence la nécessité de mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de mieux connaitre le matériau en particulier au niveau de l’action des sels. On propose de réaliser des essais qui prennent plus en compte les conditions d’exposition de la pierre (température, nature des sels, etc.).
-Dégradation
-Pierre calcaire
-Température
-Conductivité thermique
-Porosité
-Vitesse ultrasonore
-Cristallisation de sels
-Cycles hygro-thermique
Monumental stone is exposed to alteration caused by physical, chemical and biological mechanisms of degradation. With time, these mechanisms can destruct the monument epidermis and endanger the structure stability. The complex mechanisms of stone degradation are not fully understood. Our scientific knowledge is incomplete. Within the framework of the maintenance of historical monuments, a study of Blaye limestone alteration is realized with the collaboration of the European project Medachs and the town hall of Blaye. Our study can be divided into two major parts : an in-situ study and a laboratory study. The on site study consists on measuring the temperature evolution at the internal and external surface of a chosen stone in the building as well as the temperature evolution at the air in the inside and the outside of the building and at three depths in the stone. A numerical model is built in order to estimate the thermal conductivity of the stone based on the measurements results. The model consists on considering that the stone is composed of three layers characterized with three different values of the thermal conductivity. These values are estimated by using an optimization algorithm (Powell). The thermal conductivity varies with the porosity and thus can be considered as an indicator of the stone damage On the other hand, the laboratory study is realized in two stages. At first, the physical and the mechanical parameters of the original material are estimated by carrying out different measurements (relative density, porosiy, ultrasonic velocity, and compressive resistance). The samples that were used for the measurements were extracted from the local quarry. Then two types of accelerated ageing tests were realized : salt crystallization and hydro-thermal cycles. The results of the tests showed a low resistance of the material especially to salt crystallization. At the end, the results of the in-situ and the laboratory study show the fragility of the material and highlight the need and the importance of a better understanding of the degradation mechanisms. The effect of the environmental conditions should be included in the studies in order to have a clear image about the variation of the material resistance to salt crystallization with the exposure conditions (temperature, type of salts, etc.).
-Alteration
-Limestone
-Temperature
-Thermal conductivity
-Porosity
-Ultrasonic velocity
-Salt crystallization
-Hydro-thermal cycles
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13787/document
Publié le : mercredi 26 octobre 2011
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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
v

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