Comportement expérimental multi-échelle de la maçonnerie en pierre calcaire des monuments historiques exposée à des températures élevées

Experimental multi-scale behaviour of historical limestone masonry exposed to high temperatures

• Auteur / Autrice : Ayoub Daoudi
• Direction : Albert Noumowe, Javad Eslami, Anne-Lise Beaucour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 03/10/2024
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmed Loukili
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Noumowe, Javad Eslami, Anne-Lise Beaucour, Ann Bourgès, Amir Si Larbi, Nathalie Domède, Martin Vigroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ann Bourgès, Amir Si Larbi

Mots clés

Mots clés libres

Pierre calcaire

Mortier de chaux

Maçonnerie en pierre

Hautes températures

Endommagement thermique

Multi-Échelle

Limestone

Lime mortar

Stone masonry

High temperatures

Thermal damage

Multi-Scale

Résumé

Le nombre croissant d'incendies touchant les monuments historiques en maçonnerie de pierre constitue la principale motivation de cette thèse. Depuis l'incendie dévastateur du Parlement de Bretagne à Rennes en février 1994, suivi d'autres événements similaires tels que l'incendie de la cathédrale Notre-Dame de Paris en 2019, la nécessité de mieux comprendre le comportement des maçonneries de pierre à hautes températures est devenue primordiale. Dans ce contexte, cette thèse vise à approfondir la compréhension expérimentale multi-échelle du comportement des maçonneries de pierre exposées à des températures élevées et à améliorer le diagnostic post-incendie des monuments historiques. Ainsi, deux échelles sont étudiées :À l'échelle du matériau, des essais de caractérisation sont réalisés sur de petites éprouvettes centimétriques soumises à des cycles de chauffage-refroidissement lents. Une étude approfondie est menée sur treize variétés de pierre calcaire, représentatifs des différentes classes de résistance mécanique des pierres (tendre, ferme et dure). Des analyses pétrographiques, minéralogiques et microstructurales initiales sont menées, combinées à des analyses thermochimiques et thermoélastiques jusqu'à 1050 °C, afin d'identifier les mécanismes d'altération à hautes températures. Les essais de caractérisation mécanique et physique après des cycles de chauffage-refroidissement jusqu'à 800 °C permettent de décrire la sensibilité thermique associée à chaque pierre. Une comparaison de l'évolution du comportement mécanique en résiduel et à chaud jusqu'à 800 °C sur quatre types de pierres couvrant les trois classes de résistance, est réalisée. De plus, une caractérisation mécanique résiduelle et une analyse thermoélastique jusqu'à 800 °C sont effectuées sur trois formulations de mortier de chaux hydraulique, représentatives des trois différentes classes de résistance de la pierre.À l'échelle d'éléments de structure, la sensibilité thermique des blocs de construction en pierre et des murets en maçonnerie est évaluée via des essais de chauffage unidirectionnel rapide à 650 °C et 850 °C. L'influence des propriétés intrinsèques de la pierre, de la température de chauffage et de la géométrie des blocs sur leur comportement à hautes températures est étudiée. Pour chaque classe de résistance représentée par un type de pierre et son mortier associé, deux murets de dimensions 56×36×10 cm sont fabriqués. L'un est chauffé à 650 °C tandis que l'autre est chauffé à 850 °C, puis exposé à l'humidité de l'air ambiant afin d'évaluer l'endommagement supplémentaire causé par la réhydratation de la chaux.Les résultats de cette étude constitueront une base de données pour le dimensionnement au feu des bâtiments en maçonnerie de pierre et permettront d'émettre des recommandations sur l'utilisation des pierres ainsi que l'évaluation post-incendie du patrimoine bâti.

The increasing number of fires affecting historic masonry buildings is the primary motivation behind this thesis. Since the devastating fire at the Parliament of Brittany in Rennes in February 1994, followed by similar events such as the 2019 fire at Notre-Dame Cathedral in Paris, the need to better understand the behaviour of stone masonry at high temperatures has become paramount. In this context, this thesis aims to deepen the multi-scale experimental understanding of the behaviour of stone masonry exposed to high temperatures and to improve the post-fire diagnosis of historic monuments. Thus, two scales are studied:At the material scale, characterization tests are conducted on small centimetre-sized samples subjected to slow heating-cooling cycles. An in-depth study focuses on thirteen varieties of limestone, representing different classes of mechanical resistance (tender, compact, and hard). Initial petrographic, mineralogical, and microstructural analyses are conducted, combined with thermochemical and thermoelastic analyses up to 1050 °C, to identify high-temperature alteration mechanisms. Mechanical and physical characterization tests after heating-cooling cycles up to 800 °C describe the thermal sensitivity associated with each limestone.A comparison of the evolution of mechanical behaviour in residual and hot conditions up to 800 °C on four types of stones covering the three resistance classes is performed. Additionally, residual mechanical characterization and thermoelastic analysis up to 800 °C are conducted on three formulations of hydraulic lime mortar, representative of the three different classes of stone resistance.At the structural element scale, the thermal stability of stone construction blocks and masonry wallettes is evaluated through rapid unidirectional heating tests at 650 °C and 850 °C. The influence of the intrinsic properties of the stone, heating temperature, and block geometry on their high-temperature behaviour is studied. For each resistance class represented by a type of stone and its associated mortar, two wallettes measuring 56×36×10 cm are fabricated. One is heated to 650 °C while the other is heated to 850 °C and then exposed to ambient air humidity to assess the additional damage caused by lime rehydration.The results of this study will provide a database for the fire design of stone masonry buildings and will allow for recommendations on the use of stones as well as the post-fire evaluation of built heritage.