Le rôle des minéraux argileux dans la dégradation de la pierre : application à la conservation de la "Pierre du MIdi" en termes de durabilité et compatibilité des matériaux en oeuvre

The role of clay minerals in stone decay : Applications to the "Pierre du Midi" conservation in terms of durability and compatibility

• Auteur / Autrice : Jérémie Berthonneau
• Direction : Alain Baronnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences de l’environnement
• Date : Soutenance le 05/12/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Cherblanc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Dessandier, Philippe Bromblet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muzahim Al-Mukhtar, Alain Meunier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solides -- Dilatation

Microscopie électronique

Diffractomètres de rayons X

Pierre -- Détérioration

Minéraux argileux

Mots clés libres

Pierre

Argile

Dégradation

Gonflement

Simulation DRX

Microscopie électronique

Dilatation

Stone

Clay minerals

Decay

Swelling

XRD profile modeling

Electron microscpy

Moisture expansion

Résumé

Une grande partie du patrimoine bâti provençal a été érigé à l’aide d’un matériau connu sous le nom de « Pierre du Midi ». L’exposition de ces pierres aux intempéries conduit à des dégradations particulières. Parmi celles-ci, la desquamation en plaques a la particularité de se développer en dehors des zones de remontées capillaires ainsi qu’en l’absence des facteurs communs de dégradation. Elle est donc induite par les propriétés intrinsèques du matériau. Ce travail a eu pour objectif d’en comprendre les mécanismes et d’établir le rôle joué par les minéraux argileux. La variabilité du degré de desquamation en plaques a tout d’abord été mise en évidence sur des monuments de périodes de construction équivalentes. Puis, un échantillonnage représentatif de cette variabilité a été mené en carrières. Le cortège argileux de chaque échantillon a été caractérisé en combinant la microscopie électronique en transmission, à la simulation des diffractogrammes de rayons X. La nature et la quantité de chacune des phases argileuses ont ainsi été déterminées et la quantité des feuillets expansifs peut être corrélée au degré de desquamation en plaques. Par ailleurs, les propriétés de stockage et de transfert des fluides de ces matériaux ont été évaluées. Elles ont permis d’appréhender les modalités de transport de l’eau et son impact sur les propriétés mécaniques. La combinaison de la perte de résistance mécanique et d’une forte dilatation au cours de la variation de la teneur en eau semble être à l’origine du processus de desquamation en plaques. Ce travail permet en outre de définir des critères de sélection de pierres de remplacement pertinents du point de vue de leur durabilité.

Most of the Provence built heritage was erected using a material named « Pierre du Midi ». The natural weathering of these limestones leads to specific deterioration patterns. Among these, spalling tends to develop in areas apart from capillary rise and free from the commun decay factors. This phenomenon seems induced by the intrinsic properties of the material. The present study aims to understand the mechanisms at play and to establish the role of the clay minerals. A wide variability of spalling degree has been observed on historical buildings of equivalent construction periods. A representative sampling of the different limestones types has thus been realized in the respective quarries. The clay minerals assemblage of each sample has been defined thanks to an adapted methodological approach combining TEM-EDX characterization to XRD profile modeling. It allowed determining both the nature and the quantity of each clay mineral phase. The link between the expansive layers quantity and the spalling degree has been evidenced. The storage and transport properties of the different types of limestones were also defined. Moreover, the macroscopic behavior upon water content variation was assessed through dilation and compressive strength experiences. The results suggest that the mechanism leading to spalling decay is triggered by the interaction between the expansive clay mineral layers and the water molecules. The hydromechanic behavior of the stone constitutes the macroscopic symptom of this interaction. This behavior is highly controlled by the fluid storage and transport properties that condition the macroscopic transmission of the deformation.