Etude du rôle des déformations locales résultant de sollicitations hydriques dans l'altération des pierres de construction par desquamation en plaques

Study of the role of local strains induced by water movement in the degradation of building stones by spalling

• Auteur / Autrice : Mohamad Daher
• Direction : Kévin Beck, Xavier Brunetaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)

Mots clés

Mots clés libres

Tuffeau

Patrimoine bâti

Desquamation en plaque

Durabilité

Pierre de construction

Mesure des déformations

Tuffeau

Built heritage

Building stone

Strain measurement

Durability

Spalling

Résumé

Cette étude contribue à l'un des thèmes de l'équipe Génie Civil du LaMé relatif à la compréhension des processus d'altération des pierres de construction en conditions réelles. En effet, la desquamation en plaques est une forme d'altération des pierres calcaires comme le tuffeau, pierres des châteaux de la Loire, dont les mécanismes de formation sont encore mal connus. Parmi les hypothèses émises pour expliquer ce phénomène qui engendre la fissuration de pierres de construction sur une zone parallèle à la surface exposée à l'environnement extérieur, les déformations différentielles provoquées par l'humidification partielle de la pierre pourraient être à l'origine de la fissuration. Ce sujet prend la suite des travaux de thèse de Asaad Al-Omari (2014) et de Mohammed Ahmed Hassine (2018) sur la mesure des déformations induites dans les pierres par des variations environnementales de type thermo-hydro-chimiques. Ces études ont montré l'intérêt de la mesure locale des déformations, en utilisant des jauges de déformation, comparativement aux mesures globales par lvdt, tout en soulignant l'incertitude induite par l'hétérogénéité des matériaux. En effet, Hassine a montré que l'effet d'une pollution de la pierre par du gypse modifiait localement le comportement en déformation du tuffeau lors d'une imbibition d'eau. Son travail de thèse a permis une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes d'altération par desquamation du tuffeau, sans pour autant établir les processus de formation des desquamations en plaques. Son travail a aussi montré que l'utilisation des jauges de déformation limite les possibilités d'observation due à la taille des jauges qui restreint et localise les zones de mesures, et due à leur collage sur la surface qui, gênant le transfert d'eau, peut perturber les mesures. Dans le cadre du sujet de thèse proposé, nous comptons également utiliser des méthodes de mesure non locale et sans contact, comme la corrélation d'images, pour évaluer le champ de déformation. Ceci permettrait de compléter les mesures par jauges de déformation pour l'estimation précise des déformations différentielles de la pierre soumise à des cycles de vieillissement par imbibition-séchage par de l'eau polluée ou non. Le rôle de la pollution par du gypse sur le comportement hydrique du tuffeau, à la fois en imbibition et en séchage, est une des perspectives du travail de thèse de M. Hassine, et sera un des points majeurs à explorer dans le cadre du travail de thèse proposé. La compréhension des mécanismes d'endommagement par desquamation des pierres calcaires doit aussi être vue avec une approche multi-échelles. En effet, l'altération d'une pierre peut être liée uniquement au matériau mais aussi à son interaction avec les autres matériaux d'une maçonnerie (pierres et mortiers). En effet, les travaux de thèse menés par Sarah Janvier-Badosa (2012) ont montré le rôle non-négligeable des pierres et des mortiers environnant les pierres de tuffeau desquamées dans le cas du château de Chambord. Des mortiers ou des pierres de restauration plus dures que le tuffeau, comme la pierre de Richemont qui a été massivement utilisé lors des précédents travaux de restauration, pourraient engendrer des déformations empêchées dans les pierres de tuffeau bloquant leur déformation hydrique naturelle. Ainsi, l'étude du comportement dilatométrique se fera sur une structure maçonnée en laboratoire soumise à des sollicitations hydriques ou mécaniques, et le rôle des mortiers (mortiers à base de chaux, à base de ciment, à base de plâtre) sera particulièrement étudié. Ce travail de thèse permettra d'élucider de nombreuses hypothèses émises par les précédentes thèses de doctorant ayant travaillé sur ce problème (Janvier-Badosa, 2012 ; Al-Omari, 2014, Hassine, 2018), et visera à discriminer les paramètres de déclenchement des desquamations en plaques dans les matériaux de constructions poreux.

This study contributes to one of the themes of the Civil Engineering team of the LaMé laboratory relating to the understanding of the degradation processes of building stones in real conditions. In fact, spalling is a form of degradation of limestone such as tuffeau, main building stones of the castles of the Loire Valley in France, whose formation mechanisms are still poorly understood. Among the hypotheses put forward to explain this phenomenon which generates the cracking of building stones on a zone parallel to the surface exposed to the external environment, the differential strain caused by the partial wetting of the stone could be at the origin of the cracking. This subject follows on from the thesis work of Asaad Al-Omari (2014) and Mohammed Ahmed Hassine (2018) on the measurement of strain induced in stones by thermo-hydro-chemical environmental variations. These studies have shown the interest of local measurement of deformations, using strain gauges, compared to global measurements by lvdt, while highlighting the uncertainty induced by the heterogeneity of materials. Indeed, Hassine has shown that the effect of pollution of the stone by gypsum locally modifies the strain behavior of the tuffeau during imbibition of stone by water. His thesis work has enabled a major advance in the understanding of the mechanisms of degradation by spalling of tuffeau stone, without establishing the processes of formation of spalling. His work has also shown that the use of strain gauges limits the possibilities of observation due to the size of the gauges which restricts and locates the measurement zones, and due to their sticking on the surface which, hindering the water transfer, may disrupt the measurements. As part of the proposed thesis, we also intend to use non-local and non-contact measurement methods, such as image correlation, to assess the strain field. This would complement strain gauge measurements for the precise estimation of differential strains of stone subjected to aging cycles by imbibition-drying by polluted or unpolluted water. The role of pollution by gypsum on the water behavior of tuffeau, both in imbibition and in drying, is one of the perspectives of M. Hassine's thesis work and will be one of the major points to be explored within the framework of the thesis proposal. The understanding of the damage mechanisms by limestones must also be seen with a multi-scale approach. Indeed, the degradation of the stones can be linked only to the material but also to its interaction with other masonry materials (stones and mortars). Indeed, the thesis work carried out by Sarah Janvier-Badosa (2012) has shown the non-negligible role of stones and mortars surrounding the desquamated tuffeau stones in the case of the Castle of Chambord. Mortars or restoration stones harder than tuffeau, such as Richemont stone, which was extensively used during previous restoration work, could generate prevented strain in the tuffeau stones blocking their natural water strain. Thus, the study of dilatometric behavior will be carried out on a masonry structure in laboratory subjected to water or mechanical stress, and the role of mortars (lime-based, cement-based, plaster-based mortars) will be particularly studied. This thesis work will make it possible to elucidate many hypotheses made by previous doctoral theses who have worked on this problem (Janvier-Badosa, 2012; Al-Omari, 2014, Hassine, 2018), and will aim to discriminate the triggering parameters of spalling in porous building materials.