Endommagement par le gel de pierres calcaires utilisées dans le patrimoine bâti : étude du comportement hydromécanique

Frost damage on limestone used in the built heritage : study of hydromechanical behavior

• Auteur / Autrice : Charlotte Walbert
• Direction : Albert Noumowe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 18/05/2015
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• 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) - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil / L2MGC
• Jury : Président / Présidente : Anne Pantet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Noumowe, Anne-Lise Beaucour, Javad Eslami, Ann Bourgès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jeanne-Sylvine Guédon, Dashnor Hoxha

Mots clés

Mots clés libres

Pierre

Altération

Microstructure

Porosité

Propriétés mécaniques

Conditions climatiques

Stone

Alteration

Mecanichal properties

Résumé

Les matériaux de construction des monuments historiques, tels que les pierres naturelles, sont soumis à des conditions environnementales agressives, comme la variation de la température ou de l'humidité, la pluie, ou encore les polluants atmosphériques. Cela peut provoquer des modifications au sein de la structure même des matériaux. Ces variations peuvent engendrer de fortes contraintes mécaniques aboutissant à des altérations macroscopiques importantes et diverses comme des fissures, des desquamations ou des désagrégations granulaires.La pierre étant un matériau poreux hétérogène, la connaissance de la microstructure, les caractérisations minéralogique et physique sont indispensables à la compréhension du comportement hydromécanique du matériau lors de dégradations. Parmi les différentes conditions environnementales responsables d'altération au sein de matériaux de construction, nous nous intéressons au phénomène de gel-dégel de différents types de pierres calcaires. L'objectif de ces travaux de recherche est de corréler les propriétés microstructurales et minéralogiques de pierres calcaires saines et leurs évolutions, avec leurs propriétés mécaniques au cours de la fissuration sous l'effet des cycles de gel-dégel. Cinq calcaires, aux propriétés microstructurales et mécaniques variées, ont été sélectionnés pour cette étude : les pierres de Massangis, de Lens, de Migné, de Savonnières et de Saint-Maximin.L'évolution de l'endommagement des pierres calcaires est suivie au cours du vieillissement accéléré par la mesure des propriétés suivantes : la vitesse des ondes P, les modules d'Young dynamiques et statiques, la résistance à la compression uniaxiale, la ténacité, la porosité totale et la distribution de la taille d'accès des pores. Le comportement thermo-mécanique des pierres est également étudié par des mesures des déformations et de la température (en surface et au centre des échantillons) pendant les cycles de gel-dégel.Ces recherches ont montré que l'évolution de la microstructure des pierres altérées et leurs propriétés mécaniques intrinsèques comme la ténacité, paramètre déterminant dans l'amorçage et la propagation de fissures, sont liés. En effet, la résistance des pierres aux contraintes provoquées par les cycles de gel-dégel dépend autant de leurs performances mécaniques initiales que de leurs porosités, notamment la part de leurs porosités naturellement accessible à l'eau par immersion et de leurs degrés de saturation naturelle.

Building materials of historical monuments, such as natural stone, are subject to aggressive environmental conditions, such as changes in temperature or humidity, rain, or air pollutants. This can cause changes in the structure of materials. These variations can lead to high mechanical stress resulting in significant and diverse macroscopic alterations as cracks, flaking or granular disintegration.The stone is a heterogeneous porous material, the knowledge of the microstructure, the mineralogical and physical characterizations are essential to understanding the hydro-mechanical behavior of the material during degradation. Among the different environmental conditions of alteration responsible in building materials, we are interested in freeze-thaw cycle of different types of limestone. The objective of this research is to correlate the microstructural and mineralogical properties of fresh limestone and their evolution, to their mechanical properties in cracking under freeze-thaw cycles. Five limestones of varying microstructure and mechanical properties were selected for this study: Massangis, Lens, Migné, Savonnières and Saint-Maximin stones.The evolution of the degradation of limestone is followed during accelerated aging by measuring the following properties: P-wave velocity, dynamic and static Young's modulus, resistance to uniaxial compression, toughness, total porosity and distribution of pore size access. The thermo-mechanical behavior of rocks is also studied by measurements of deformation and temperature (at surface and at center of the sample) during the freeze-thaw cycles.This research has shown that the evolution of the microstructure of weathered stones and their intrinsic mechanical properties such as toughness, determining parameter in the initiation and propagation of cracks are related. Indeed, stones resistance to stresses caused by freeze-thaw cycles depends as much on their initial mechanical performance as their porosity, especially from their pores naturally accessible to water immersion and their degrees of natural saturation.