Influence des propriétés physico-mécaniques des minéraux argileux dans l'altération de la pierre monumentale

Influence of the physico-mechanical properties of clay minerals on stone deterioration

• Auteur / Autrice : Mathilde Tiennot
• Direction : Ann Bourgès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche des monuments historiques (Champs sur Marne, Seine et Marne)
• Jury : Président / Présidente : Marie Jardat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : George W. Scherer, Jean-Didier Mertz, Jeanne-Sylvine Guédon, Jérôme Fortin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Doquet, George W. Scherer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Fissuration

Argile

Mots clés libres

Fissuration

Argiles

Dilatation

Comportement hydromécanique

Nisotropie

Desquamation

Cracking

Clay minerals

Hydromechanical behaviour

Résumé

La desquamation en plaque est une forme de dégradation de la pierre monumentale fréquemment observée. Cette morphologie spécifique résulte de l’initiation et la propagation d’une fissure subparallèle à la surface, qui subit diverses sollicitations en conditions naturelles d’exposition. L’objectif de cette recherche est de mieux comprendre ces mécanismes d’altération et d’appréhender les paramètres déterminants dans l’initiation de la fissuration au sein des pierres mises en œuvre. Une approche en mécanique de la rupture a ainsi été proposée. L’influence des minéraux argileux, mis en cause dans ce phénomène, est étudiée et discutée. Trois pierres ont été sélectionnées, une molasse, un grès et une kersantite, présentant de nombreux exemples de desquamation lorsqu’elles sont exposées. Leur comportement hydromécanique est caractérisé en tenant compte de leur anisotropie naturelle. Les propriétés élastiques, la résistance à la traction et la ténacité sont mesurées après saturation, pour plusieurs humidités relatives en phase d’humidification et de séchage, et après plusieurs cycles de variations d’humidité relative. Un couplage de mesure des dilatations et des vitesses d’ondes acoustiques a permis un suivi précis de l’endommagement au fil des cycles. L’influence des minéraux argileux dans les processus d’altération a pu être vérifiée. Ces phases ont été identifiées comme des facteurs essentiels de la dégradation, car elles constituent des plans de fragilité favorisant l’endommagement et la fissuration du matériau, et ce d’autant plus qu’elles se dilatent lors des sollicitations naturelles.

Flaking is a deterioration pattern widely observed on monumental stone heritage. This pattern is due to the initiation and propagation of a crack subparallel to the surface of the stone exposed to natural weathering. This research aims to better understand the alteration mechanisms and to determine the parameters involved in such crack initiation within monumental stones. A fracture mechanics approach is proposed and the influence of clay minerals on this detachment alteration is discussed. The research is carried out on three stones, a molasse, a sandstone and a kersantite, showing scaling effect when submitted to natural conditions. Their hydromechanical behaviour is studied with respect to their natural anisotropy. Elastic properties, tensile strength and toughness are measured after saturation, at various RH values during humidification and drying, and after several cycles. Wave propagation combined with dilatation measurements is used to follow damage during the RH variations cycles. The influence of clay minerals on alteration processes is verified. These phases are critical factors of stone degradation as they are weakness planes leading to damage and cracking, especially generated by their swelling.