UNIVERSITE DE REIMS CHAMPAGNE ARDENNE

-

Documents
389 pages
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • redaction


UNIVERSITE DE REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE ECOLE DOCTORALE SCIENCES, TECHNOLOGIES, SANTE Doctorat Sciences de la Terre Claire MOREAU VIEILLISSEMENT NATUREL EN MILIEU URBAIN DE PIERRES CALCAIRES HYDROFUGEES : EVALUATION DE LA DURABILITE DES TRAITEMENTS ET DE LEUR IMPACT SUR LE NETTOYAGE Soutenue le 16 mai 2008 Jury : M. V. BARBIN, Professeur, Université de Reims Champagne-Ardenne Co-directeur de thèse M. J. BILLIOTTE, Maître de Recherche, Ecole des Mines de Paris Co-directeur de thèse M. C. DAVID, Professeur, Université de Cergy-Pontoise Président du jury Mme H. DE CLERCQ, Chef du département Laboratoires, KIK-IRPA, Bruxelles Invité Mme L. LEROUX, Ingénieur de Recherche, LRMH, Champs-sur-Marne Examinateur Mme I. PALLOT-FROSSARD, Directeur, LRMH, Champs-sur-Marne Invité M. S. SIMON, Directeur, Rathgen Forschungslabor, Berlin Rapporteur M. J-M. VALLET, Ingénieur de Recherche, CICRP, Champs-sur-Marne Rapporteur

  • universite de reims champagne

  • vieilles pierres

  • lrmh

  • joggings dans le parc du château

  • vieillissement naturel en milieu urbain de pierres calcaires

  • co- thésarde

  • champagne-ardenne co


Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 mai 2008
Nombre de visites sur la page 281
Langue Français
Signaler un problème






UNIVERSITE DE REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE

ECOLE DOCTORALE SCIENCES, TECHNOLOGIES, SANTE



Doctorat

Sciences de la Terre




Claire MOREAU




VIEILLISSEMENT NATUREL EN MILIEU URBAIN DE PIERRES CALCAIRES
HYDROFUGEES : EVALUATION DE LA DURABILITE DES TRAITEMENTS ET
DE LEUR IMPACT SUR LE NETTOYAGE






Soutenue le 16 mai 2008



Jury :

M. V. BARBIN, Professeur, Université de Reims Champagne-Ardenne Co-directeur de thèse
M. J. BILLIOTTE, Maître de Recherche, Ecole des Mines de Paris Co-directeur de thèse
M. C. DAVID, Professeur, Université de Cergy-Pontoise Président du jury
Mme H. DE CLERCQ, Chef du département Laboratoires, KIK-IRPA, Bruxelles Invité
Mme L. LEROUX, Ingénieur de Recherche, LRMH, Champs-sur-Marne Examinateur
Mme I. PALLOT-FROSSARD, Directeur, LRMH, Champs-sur-Marne Invité
M. S. SIMON, Directeur, Rathgen Forschungslabor, Berlin Rapporteur
M. J-M. VALLET, Ingénieur de Recherche, CICRP, Champs-sur-Marne Rapporteur

REMERCIEMENTS


La fameuse page des remerciements. On y pense beaucoup pendant la rédaction, mais il y a beaucoup
de travail avant d’y arriver. C’est enfin le moment d’exprimer ma gratitude envers toutes celles et tous
ceux qui ont contribué à ce travail, qui m’ont aidée ou soutenue pendant ces quelques années qui sont
passées si rapidement. Mais je souhaite aussi remercier certaines personnes sans qui je ne serai jamais
arrivée jusqu’ici.


Cette thèse a été réalisée grâce à une allocation de la région Champagne-Ardenne, au sein du Groupe
d'Etude sur les Géomatériaux et Environnements Naturels, Anthropiques et Archéologiques à Reims et
du Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques à Champs-sur-Marne.


En premier lieu, je tiens à remercier les membres du jury qui ont accepté d’évaluer ce travail.
Jean-Marc Vallet était à même de juger ce travail en tant que rapporteur, puisqu’il a participé à la mise
en place du projet de 1994 à 1996. J’espère que mes travaux ont comblé ses attentes. Je le remercie
pour sa lecture si minutieuse de ce travail et pour ses conseils concernant l’après-thèse.
Je remercie Stefan Simon (« mon mentor » d’après Véronique) qui a accepté d’être rapporteur de ce
travail écrit dans une langue qui n’est pas la sienne. J’ai beaucoup appris à ses cotés lors de mon stage
au Getty Conservation Institute à Los Angeles, et je lui suis reconnaissante de m’avoir convaincue de
réaliser cette thèse.
Je remercie Christian David qui m’a fait l’honneur d’accepter de présider ce jury.
Je remercie Vincent Barbin, directeur du GEGENA et co-directeur de cette thè se, pour sa confiance et
la liberté qu’il m’a accordée pour mener cette étude.
Je remercie Isabelle Pallot-Frossard, directrice du LRMH, d’avoir accepté de m’accueillir au sein de
son laboratoire pour une période plus longue que celle prévue initiallement. Elle a suivi ce programme
depuis le début en 1994 ; sa présence parmi les membres du jury était donc indispensable.
Je remercie Hilde de Clercq d’avoir accepté de faire partie de ce jury. Elle fait partie des spécialistes
dans le domaine de la conservation en particulier sur l’étude des produits hydrofuges qui a toujours été
une thématique de recherche importante de l’IRPA. L’intérêt qu’elle porte à cette thèse, démontré par
sa présence au sein du jury, m’a beaucoup touchée.
Je souhaite remercier plus particulièrement Lise Leroux, qui m’a encadrée tout au long de cette thèse.
Toujours disponible pour une petite recherche dans les archives du projet, pour une visite sur site… Sa
connaissance du projet m’a souvent aidée. En plus des ses qualités scientifiques, Lise a toujours été
d’une grande gentillesse, d’une grande attention et d’un grand réconfort. Et je l’en remercie
énormément.


Je souhaite également remercier deux personnes qui n’ont pas pu être présentes le jour de la
soutenance, mais qui ont participé à ce travail. Tout d’abord, je remercie Véronique Vergès-Belmin,
pour son encadrement durant toute la durée de cette thèse. Véronique m’a fait partager son
enthousiasme et sa grande expérience dans la conservation des monuments. Malgré un emploi du
temps chargé, Véronique s’est toujours rendue disponible. Ainsi, lorsqu’elle était aux USA, elle a

²continué à corriger le manuscrit et les articles. Je la remercie pour m’avoir encouragée et soutenue en
particulier dans les moments les plus difficiles.
Je remercie également Joël Billiotte, co-directeur de cette thèse, pour l’intérêt qu’il a porté à celle-ci,
dont la thématique n’est pas directement reliée à son sujet de recherche. Sa lecture attentive du
manuscrit et ses remarques pertinentes ont nettement contribué à son amélioration.


J’adresse également mes remerciements à Rémy Lefèbvre (étudiant en IUT mesures physiques) et
Anna Kisselinskaia (restauratrice en sculpture), qui ont participé à mes travaux de recherches ainsi
qu’à Bénédicte Rousset, directrice de l’Expert-Center de Lausanne, et à ses collaborateurs pour
m’avoir facilité l’accès à la fraiseuse, mise en place par Fred Girardet au sein du laboratoire.


Je pense également à tout le personnel du LRMH qui m’a apporté son aide. Dans la section pierre, je
souhaite remercier Jean-Didier Mertz d’avoir pris le temps de répondre à mes questions sur les
hydrofuges, la capillarité ou l’évaporation. Le froid polaire qui règne dans son bureau n’a jamais suffi
à me décourager. Je remercie également Mikaël Guiavarch pour son aide technique au laboratoire et
sur le terrain. Le carottage des échantillons fut long, mais il aurait été interminable sans sa présence !
Il y a aussi Witold Nowik qui a accepté de me diriger lors des analyses de chromatographie ionique et
Geneviève Orial, avec qui j’ai travaillé sur l’aspect microbiologique, domaine dans lequel mes
connaissances étaient faibles. Je les remercie d’avoir pris le temps de m’aider malgré leurs emplois du
temps chargés. J’ai une pensée particulière pour Ann Bourgès, que j’avais rencontrée au GCI. J’ai été
ravie de la retrouver au LRMH. Elle est un exemple pour moi et aussi une amie.
Je souhaite remercier tous les autres membres du laboratoire qui ont contribué à créer une ambiance
agréable aussi bien durant le travail qu’en dehors, et plus particulièrement : DDR (pour nos joggings
dans le parc du château), Claudine (pour nos discussions sur la thèse et ses problèmes), Stéph (ma
cothésarde, qui a facilité mon intégration au sein du laboratoire), Alex, Brigitte, Lolo, Mohammed,
Annick, Elisabeth, Annick, Tutu et Croq, les gens de passage comme Emilie C. et Flore, et les petites
nouvelles Myriam, Charlotte et Estel.
Une pensée particulière pour « la bande des afterworks du jeudi soir » : Flore, Emilie C., Stéph, Lolo,
Mikael, Mohammed…


J’adresse également tous mes remerciements à mes collègues et amis du GEGENA.
Je remercie tout d’abord Gilles Fronteau. Il a facilité mon arrivée à Reims et m’a emmenée visiter les
carrières souterraines. Amateur de sorties de terrain, il était toujours présent pour récupérer les
échantillons à Charleville-Mézières, à Langres ou à Reims. Je le remercie aussi de m’avoir soutenue
lorsque j’ai décidé d’aller poursuivre ma thèse au LRMH.
Je souhaite également remercier Oumarou Malam-Issa pour l’aide qu’il m’a apportée notamment lors
de la rédaction de mon premier article, et pour toutes nos discussions, scientifiques ou non, autour
d’un thé dans son bureau.
Je remercie Xavier Drothière pour son aide technique si précieuse au moment le plus stressant de la
rédaction. Je n’oublie pas non plus Béatrice, Xavier, Benjamin, Maxime, Céline et Marie.
Un rendez-vous important lors de mes séjours à Reims : les « Beer Hours » du vendredi soir avec les
biochimistes. Une petite pensée donc pour RV, Dude, Coq, Mary, BioSeb, Manu, CC, Ninie, Flo, tous
les autres amateurs de bière et bien sur, mon chouchou Nicolas.

²Pour tous ceux qui m’ont suivie pendant ces trois années, la question était de savoir où je logeais : à
Reims ou à Paris ? A Meaux ou à Champs-sur-Marne ? Je remercie tous ceux qui m’ont hébergée,
dans l’ordre chronologique : mon oncle François, M. Charpentier (le conservateur du château de
Champs-sur-Marne), Anne-Lise, Jeanine Marchetti, Evelyne Beghi, Mamie Juliette, Lise, Jean-Paul
Marchetti et Mary. Je remercie également tous ceux qui ont gardé Vlad, mon petit chat : Mary,
Christelle, Emilie D., Stéph, Jeanine, Oumarou et Hervé (le gardien du LRMH). Et enfin, je souhaite
remercier ceux qui m’ont aidée à déménager ou qui ont stocké mes affaires : mes parents, Grégoire,
BioSeb, Oumarou, Nicolas, Mikael, Flore, RV, Dude et Flo.


Je ne termine pas sans adresser un immense merci à mes parents, à qui je dois beaucoup, en particulier
la passion « des vieilles pierres ». Je souhaite aussi remercier ma sœur Elodie, mon frère Grégoire, et
leurs amours Amerdeep et Aurélie, ma Tatie Bernadette et ma grand-mère Manée qui a bien du mal à
suivre ce que je fais et où je suis…
RESUME

Notre étude concerne le vieillissement en milieu naturel de pierres calcaires traitées par des produits
hydrofuges. Après le traitement, les éprouvettes de calcaire ont été exposées à l'environnement
extérieur sur des périodes variant de 1 à 10 ans, dans deux situations différentes: à la pluie sur les
parties hautes de cathédrales françaises et à l'abri de la pluie sous un abri conçu spécifiquement au
pied des mêmes cathédrales. Ces deux types d’exposition sont pris en compte pour évaluer la durée de
vie des traitements et identifier leurs principaux facteurs d’altération, suivant leur positionnement sur
le monument.
L’interaction des multiples paramètres (4 produits hydrofuges, 8 lithotypes, 5 sites d’exposition)
permet d’évaluer les facteurs influant sur la durabilité des traitements. Le vieillissement naturel des
pierres calcaires et des produits est évalué par le biais de mesures effectuées en laboratoire. Dans un
premier temps, la colorimétrie permet de souligner l’encrassement des pierres ou leur colonisation par
des micro-organismes et, dans une moindre mesure, l'état d'altération de la surface. Ensuite, le suivi du
poids révèle l'importance des réactions chimiques (dissolution de la calcite ou formation de gypse) et
donne des informations sur l'efficacité des produits hydrofuges. Enfin, les propriétés hydrofuges des
traitements sont évaluées par le test à la microgoutte et le test d’imbibition capillaire. Pour les
éprouvettes exposées à l’abri des pluies, ces mesures sont ensuite suivies par des essais de nettoyage
des surfaces altérées selon deux techniques couramment utilisées pour la restauration des monuments
et des œuvres d’art : le microsablage et le laser. L'efficacité du nettoyage a été vérifiée par une
inspection visuelle et des mesures de couleur et l'hydrophobicité à la surface des éprouvettes nettoyées
a été déterminée par le test à la microgoutte.
Les produits hydrofuges montrent un comportement déterminé en fonction de l'environnement, mais
surtout selon le type de pierre. En effet, dans certains cas, la perte de l’effet hydrofuge est observée,
même après une courte période d'exposition. Lors de l’exposition aux pluies, les traitements
hydrofuges à base de silicone en phase solvantée présentent une durabilité plus importante que les
autres produits, cependant lors de l’exposition à l’abri des pluies ils n'ont pas empêché l'encrassement
des pierres calcaires, ni la sulfatation. De plus, la présence de produit hydrofuge permet un nettoyage
plus aisé que sur une surface non traitée, et elle limite la teinte jaune observée à la surface des
éprouvettes nettoyées par laser.


Mots-clés : Produits hydrofuges, Pierres calcaires, Environnement naturel, Pollution, Durabilité,
Encrassement, Nettoyage. ABSTRACT

The aim of this research is to assess the durability of water-repellents applied on different types of
limestone. It evaluates the combined impact of urban atmospheric pollution, climate and the stone
types on the water-repellent efficiency, allowing a better understanding of the durability of the
treatments.
Limestones with different petrophysical properties were treated with four types of water repellent
treatments: an acrylic resin containing Teflon, a polysiloxane in solvent, a silicon resin and a
microemulsion of polysiloxanes. After treatment, the limestone tablets were exposed to outdoor
environment during periods varying from 1 to 10 years. Limestones were exposed in different
situations: to the rain, on upper parts of French cathedrals, and sheltered from the rain, under
specifically designed shelters.
The natural ageing of limestones and products exposed to rain is assessed through measurements
carried out in laboratory. At first, colour measurements show the colonisation by microorganisms and,
to a minor extent, the weathering state of the stone’s surface. Then, the weight loss reveals the
importance of the dissolution phenomena of the stone and gives information about the efficiency of
the water repellents. Eventually, the water-repellency of the treated stones, after exposure, is studied
more closely by micro-drop absorption and capillary water absorption tests.
Measurement of colour, mass and microdrop absorption time were performed on tablets before and
after exposure sheltered from rain. Water-repellent treatments did not prevent limestone from soiling
and a loss of the surface hydrophobicity was observed with increasing exposure times. Sulphation
significantly varies in dependence on the exposure sites and limestone types. After the preceding
measurements, the tablets were partially cleaned by microsandblasting and laser. The efficiency of the
cleaning was checked by visual inspection and colour measurements and the water-repellence of the
cleaned surfaces was determined by microdrop tests.
The water repellents show specific behaviour according to the environment but especially according to
the stone type. Indeed, in some case, no remaining of treatment’s water-repellency is noticed, even
after a short period of exposure.
These results may help in the choice of the most adapted product in a given situation, but also inform
about the necessity of re-treating monuments after a period of time.


Key words: Water-repellent, Limestone, Natural ageing, Pollution, Durability, Soiling, Cleaning.
TABLE DES MATIERES
Chapitre 1. Introduction ...................................................................1
Chapitre 2. Etat de l’art....................................................................3
Partie A. Altération des monuments en milieu urbain ....................................................... 3
1. Les phénomènes d’altération................................... 4
2. Les facteurs d’altération .......................................... 8
Partie B. Les fonctions dose/réponse ............................ 12
1. Modèle de Lipfert (1989) ...................................... 13
2. Modèle de Livingston (1992)................................................................................... 14
3. Modèles graphiques de Steiger (1993) et Baedecker (1992) ................................... 14
4. Modèle de Webb (1992)........................................ 15
5. Modèle développé lors du programme ICP Materials ............................................. 15
6. Modèle développé lorsogramme MULTI-ASSESS (2004)............................ 16
Partie C. Le nettoyage...................................................................................................... 17
1. Microsablage ......................................................... 18
2. Laser ...................................................................... 19
3. Comparaison des deux techniques de nettoyage ...................................................... 19
Partie D. Les hydrofuges............................................... 21
1. Les fonctions des hydrofuges................................................................................... 21
2. Les familles d’hydrofuges..................................... 23
3. Les conditions de traitement............. 26
4. L’évaluation d’un traitement.................... 27
Chapitre 3. 1993-1998: Mise en place d’un protocole de
recherche .......................................................................................31
Partie A. Les sites d’exposition........................................................................................ 31
1. Exposition aux pluies ............................................ 32
2. Exposition à la pollution gazeuse et particulaire...................................................... 33
3. Mise en place et plan de prélèvement des éprouvettes............................................. 35
Partie B. Données environnementales .......................... 35
1. Données climatiques ............................................. 36
2. Analyses des eaux de pluies..................................................................................... 38
3. Données sur les polluants gazeux et particulaires.................................................... 41
Partie C. Pierres ............................................................ 43
1. Les raisons d’un choix........................................... 43
2. Les types de pierre................................................. 43
3. La préparation des éprouvettes.............................. 48
Partie D. Les hydrofuges.................................................................................................. 49
1. Choix des produits hydrofuges.............................. 49
2. Traitement des éprouvettes.................................... 50
Chapitre 4. Les méthodes d’analyses.............................................53
Partie A. Conditionnement des éprouvettes ..................................................................... 53
1. Principe du conditionnement en température et humidité relative........................... 53
2. Mode opératoire ....................................................................................................... 53
Partie B. Détermination des caractéristiques chimiques et pétrophysiques..................... 54
1. Compositions chimiques ....................................... 54
2. Porosité accessible à l’eau..................................... 54
3. Imbibition capillaire .............................................. 55
4. Vitesse d’évaporation (RILEM, Essai II.5, 1980).................................................... 57
5. Perméabilité à la vapeur d’eau .............................. 58
Partie C. Evaluation des changements de couleur ........ 59
1. Principe..................................................................................................................... 59
2. Système et mode opératoire .................................. 60
Partie D. Etude de la colonisation biologique............... 61
1. Analyse d’images .................................................. 61
2. Cartographie .......................................................... 61
Partie E. Détermination de la profondeur de pénétration ................................................ 62
Partie F. Mesure de l’hydrophobicité de surface............................................................. 62
Partie G. Quantification des teneurs en sels solubles par chromatographie ionique ....... 63
1. Prélèvement des poudres....................................... 63
2. Mise en solution .................................................... 63
3. Analyse par chromatographie ionique................... 64
Partie H. Méthodes de nettoyage des surfaces encrassées ............................................... 65
1. Microsablage ............................................................................................................ 66
2. Laser ...................................................................... 66
Partie I. Protocole expérimental .................................. 67
Partie J. Analyse statistique ......................................... 68
1. Test t à deux échantillons dépendants ...................................................................... 68
2. Analyses en composantes principales (ACP)........ 68
Chapitre 5. Evaluation de l’efficacité des traitements
hydrofuges .......................................................................................71
Partie A. Caractéristiques chimiques et pétrophysiques des pierres non hydrofugées .... 71
1. Analyses chimiques.................................................................................................. 71
2. Porosité.................................................................. 72
3. Imbibition capillaire .............................................. 75
4. Test à la microgoutte.................. 77
5. Vitesse d’évaporation................. 78
6. Perméabilité à la vapeur d’eau .............................. 81
7. Perméabilité à l’air ................................................................................................... 82
8. Bilan ...................................................................... 82
Partie B. Détermination des propriétés des pierres hydrofugées ..................................... 85
1. Quantité de résidu sec ........................................... 85
2. Profondeur de pénétration ..................................... 86
3. Efficacité de l’hydrofugation ................................................................................... 88
4. Modifications physiques dues aux traitements...... 91
Partie C. Synthèse : Evaluation de la qualité d’un traitement hydrofuge ........................ 96
1. Discussion des mesures de profondeur de pénétration des produits hydrofuges ..... 96