Imagerie des remontées capillaires au sein de pierres du patrimoine bâti : application au temple gallo-romain des Vaux-de-la-Celle (Genainville, Vexin, France)

Capillary rise characterization within heritage building materials : application to masonry of a Gallo-Roman site (Genainville, France)

• Auteur / Autrice : Oriol Sanchez Rovira
• Direction : Yannick Melinge, Ronan Hebert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 2006-....) - Laboratoire Géosciences et Environnement (Cergy-Pontoise ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : Fondation des Sciences du Patrimoine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kévin Beck, Céline Thomachot, Catherine A. Davy, Béatrice Ledésert, David Giovannacci, Daniel Bougeard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Kévin Beck, Céline Thomachot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pierre à bâtir -- Biodégradation

Mots clés libres

Méthodes d'imagerie non-Destructifs

Teneur en eau

Patrimoine

Endommagement

Roche

Géophysique

Non-Destructive techniques

Water content

Building heritage

Damage

Rocks

Geophysics

Résumé

Dans le domaine de la préservation des matériaux du patrimoine bâti, l’eau constitue le principal facteur à l’origine de désordres souvent irréversibles. Les mécanismes impliqués correspondent à la cristallisation de sels véhiculés sous forme ionique par les phénomènes de remontées capillaires, à des désordres mécaniques induites par le gonflement d‘argiles, ou par la prolifération des micro-organismes imputables à un excès d’humidité persistante.Depuis de nombreuses années, les acteurs qui œuvrent pour intégrer les sciences du patrimoine dans les concepts de restauration durable, s’intéressent aux méthodes de mesure de la teneur en eau, en privilégiant les méthodes peu intrusives. A l’heure actuelle, il n’existe pas de méthode simple, précise et fiable de mesure de la teneur en eau en contrôle non destructif. C’est ce défi que ce travail de thèse se propose de relever à l’aide de méthodes d’imageries couplées de tomographie électrique et de thermographie infrarouge, appliquées aux matériaux de construction du site archéologique des Vaux de la Celle.La tomographie électrique permet la mesure de la variation spatiale et/ou temporelle des propriétés électriques liées à la distribution de l’eau dans le volume du matériau considéré, tandis que la thermographie infrarouge fournit les conditions limites au moyen de thermogrammes de surface. La complémentarité des méthodes est mise en valeur à partir des résultats issus des différentes expériences effectuées au cours de cette étude.Afin de mieux appréhender la problématique complexe des remontées capillaires dans les matériaux constituant le temple Gallo-Romain des Vaux de la Celle, il a été nécessaire de caractériser les principaux matériaux constituant les murs du temple. Dans un premier temps, un effort particulier a été apporté à l’identification puis à l’échantillonnage des différents matériaux originel, en collaboration avec l’équipe d’archéologues en charge du site.Au cours de l’étude des propriétés pétrophysiques essentielles de ces matériaux, une attention toute particulière a été apportée aux paramètres liés au stockage et au transport de l’eau. Enfin, cette étude a permis de proposer un modèle phénoménologique du transfert de l’eau dans les murs et intégrant les spécificités microstructurales des matériaux assemblés.Une fois cette étape accomplie, le travail s’est porté sur les techniques proposées et leur optimisation. Ce travail d’optimisation a alors conduit à la mise au point d’une loi de calibration empirique des réponses électriques et de thermographie infrarouge pour chaque matériau en fonction de la teneur en eau. Ces lois de calibration ont été obtenues aussi bien dans un cadre statique, que dans des conditions ou les mécanismes de transfert induit des variations rapides de la teneur en eau. La complémentarité des deux techniques est mise en exergue par leur domaine de fiabilité respectif et pour la gamme des valeurs de teneurs en eau potentiellement mesurable in situ.Afin de s’approcher au plus près des conditions du site, des assemblages reproduisant des sections de mur du temple ont été réalisés, avec les différents matériaux provenant du site. Les lois de calibration déduites précédemment ont alors été appliquées sur ces « fac-similés » afin de mesurer la teneur en eau au cours d’expérience d’imbibition en environnement contrôlé.La méthode électrique et la thermographie IR sont ainsi utilisées au cours de ces expériences afin d’éprouver et de confirmer leur complémentarité pour mesurer la teneur en eau et sa distribution au sein des matériaux. A partir des résultats obtenus, il apparait clairement que l’utilisation de ces deux méthodes permet la mesure non destructive de la teneur en eau dans des structures composites simulant une portion de mur gallo-romain. La prochaine étape pour valider la robustesse de la méthodologie développée à l’échelle du laboratoire est désormais sa mise en place sur le terrain.

Conservation scientists working on immovable cultural heritage identified water as the main factor at the origin of irreversible damages on stone. Within the different mechanisms involved, the three most common are the crystallisation of salts transported in ionic form by capillary rise, the mechanical disorders induced by the swelling of clays, the growth of micro-organisms due to persistent high water content.For many years, conservation scientists working on the sustainable restoration concepts have been interested in inhibiting or limiting the change in water content in stone, which can occur due to capillary rise or endogenous condensation. The first step towards it is to measure the change in water content in the stone. In order to do so, development of non-destructive methods for measuring the water content is required. To our knowledge, at this point of time, there does not exist a simple, precise and reliable method for such measurement in a non-destructive manner.To solve this challenge, this thesis proposes the use of coupled non-destructive methods, the electric tomography and the infrared thermography. These methods were applied to the materials of the archaeological site of Vaux de la Celle.Electrical tomography allows for measurement of the spatial and/or temporal variation of the electrical properties in the volume of the inspected material, which are linked to the distribution of water in the volume of the material. Infrared thermography provides the thermal boundary conditions by means of surface thermogramms. The apparent temperature of the surface can be also linked to the water content. Complementarity of the methods is highlighted by the results of the various experiments conducted during this study.In order to better understand the complex problem of the water distribution in the Gallo-Roman temple of Vaux de la Celle, the main materials constituting the walls of the temple need to be fully characterized. Therefore, the first step was to identify and then sample the various original materials, in collaboration with the team of archaeologists in charge of the site.The parameters related to the storage and transport of water in these collected materials are mainly investigated during the petrophysical study. As a result, a phenomenological model of the water transfer in the walls is proposed, which incorporates the microstructural specificities of the materials.Once this step had been completed, the work focused on the proposed techniques and their optimisation. This optimisation work led to the development of empirical calibration laws for each material as a function of water content. These calibration laws were obtained both in a static mode for a wide range of controlled water content, while dynamic mode was obtained by rapid variations of water content. As a result, the complementarity of the two techniques is highlighted by the range of water content values potentially measurable and their respective ranges of reliability.To get to the field conditions as close as possible, make-up models were made reproducing wall elements of the temple with different materials sampled on the site. The models were used for imbibition experiments in a controlled environment. The calibration laws deduced previously were then applied to measure the water content. Based on the results obtained during this study, it is evident that the use of the two methods allows the non-destructive measurement of water content in composite structures. The next step is to validate the robustness of the methodology developed in the laboratory conditions by implementing it on the field.