Nouveaux mortiers pour la restauration des pierres dans le contexte du changement climatique

New sustainable mortars for stone restoration in the context of climate change

• Auteur / Autrice : Jose Diaz-Basteris
• Direction : Beatriz Menendez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers - Cergy
• Date : Soutenance le 28/10/2022
• 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 Géosciences et Environnement (Cergy-Pontoise)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Beatriz Menendez, Kévin Beck, Anna Maria Ferrari, Gilles Fronteau, Paula Lopez-Arce, Christian David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kévin Beck, Anna Maria Ferrari

Mots clés

Mots clés libres

Transition écologique

Gestion ressources

Analise de cicle de vie

Materials engineering

Climate change

Life cycle analysis

Résumé

Cette thèse traite du développement de nouvelles formules durables pour les mortiers de restauration. Le travail vise : 1) l'étude de l'effet des composants du mortier sur leurs propriétés, 2) la mesure de la consommation d'énergie et de la pollution environnementale du cycle de vie de leur mortier, et 3) la compatibilité des mortiers avec les substrats (Lutétien et Euville) et comment choisir le mortier le plus durable.Afin d'améliorer l'empreinte écologique des mortiers de restauration tout en gardant leur efficacité, nous avons testé plusieurs combinaisons de chaux, de granulats et d'additifs. Les mortiers de réparation doivent être compatibles avec le support (pierres, briques) et protéger les matériaux d'origine des agents environnementaux ; les aspects esthétiques et historiques ne doivent pas être négligés. Le développement expérimental des mortiers avec leurs propriétés physico-chimiques et leur durabilité est observé.. Différentes propriétés physiques ont été mesurées dans tous les mortiers : porosité, densité, absorption par capillarité, résistance mécanique (flexion et compression), vitesses des ondes P et S à partir desquelles le module d'Young dynamique et le coefficient de Poisson ont été déduits. La durabilité des mortiers a été estimée par la cristallisation du sel et les cycles de gel/dégel. Dans ce chapitre, l'interaction de certains mortiers avec les calcaires du Lutétien et d'Euville est présentée. L'application d'adjuvants recyclés impacte positivement la durabilité des mortiers et les tests d'adhérence mortier pierre.L'étape suivante de l'enquête s'est concentrée sur la consommation d'énergie et la génération de pollution tout au long de la vie des mortiers. L'objectif était de proposer des solutions pour produire des mortiers plus durables (écologiques et durables). L'analyse du cycle de vie (ACV) étudie l'impact environnemental de toutes les activités impliquées dans la fabrication, l'utilisation, le transport et l'élimination du produit sont comptabilisés et mis dans le même contexte. Douze mortiers de restauration « théoriques » et vingt-quatre mortiers de restauration déjà fabriqués ont été estimés. Le potentiel de réchauffement global des mortiers est de l'ordre de 160-737 kg CO2-eq/tLa durabilité des mortiers de restauration a été estimée, et une méthodologie est proposée pour choisir le meilleur mortier pour un cas particulier parmi une série de mortiers proposés. À l'inverse, il n'y a pas de solution universelle mais une solution adaptée à chaque problème. Le choix du mortier doit tenir compte des propriétés du support, de l'environnement, de la durabilité et de l'économie. Ce travail propose une proposition d'inclusion de critères environnementaux et économiques dans le processus de sélection. Quelques exemples sont illustrés pour choisir des matériaux pour différentes sous-traitances, telles que la restauration de monuments historiques à Paris, en France, avec des calcaires d'Euville et de Lutétien, et l'application de la méthode pour trois pierres de sites mayas.Les derniers chapitres explorent l'idée d'augmenter la résistance à la compression des mortiers et soustrates. Une évaluation expérimentale des effets des nanoparticules de silice (SiO2) sur les propriétés et les performances des mortiers de restauration à la chaux est présentée. Il a été démontré que l'utilisation de nano-silice sans autres additifs pourrait être utilisée pour ajuster les propriétés des chaux aérienne et hydraulique en fonction des exigences spécifiques pour la restauration des objets du patrimoine culturel.

This thesis discusses the development of new sustainable formulas for restoration mortars. The work aims: 1) the study of the effect of the mortar components on their properties, 2) the measurement of the energy consumption and the environmental pollution of their mortar life cycle, and 3) the compatibility of the mortars with substrates (Lutetian and Euville) and how to choose the most sustainable mortar.In order to improve the ecological footprint of the restoration mortars while keeping their efficiency, we have tested several combinations of lime, aggregates and additives. Repair mortars should be compatible with the support (stones, bricks) and protect original materials from environmental agents; aesthetical and historical aspects must not be neglected. The experimental development of mortars with their physicochemical properties and durability is observed. Various mortars are compared, from "simple" mixtures of lime and natural siliceous sand or crushed calcareous limestone to more "complex" mortars prepared by incorporating pinecone resin, semi-milled cones of pine, ground glass and ground bricks or brick residue. The application of recycled admixtures positively impacts the durability of mortars and the adhesion mortar-stone tests.The next step of the investigation focused on the energy consumption and generation of pollution throughout mortars life. The goal was to propose solutions to produce more sustainable mortars (ecological and durable). Life Cycle Assessment (LCA) studies the environmental impact of all the activities involved in the product's manufacturing, use, transportation and disposal are counted and put in the same context. The global warming potential of the mortars is in the range of 160-737 kg CO2-eq/t. The sustainability of the restoration mortars was estimated, and a methodology is proposed to choose the best mortar for a particular case among a series of proposed mortars. Conversely, there is no universal solution but a solution adapted to each problem. The choice of the mortar must consider the support properties, the environment, the durability and the economy. Some examples are illustrated for choosing materials for different subtracts, such as restoring historical monuments in Paris, France, with Euville and Lutetian limestones, and applying the method for three stones of Mayan sitesThe last chapters explore the idea of increasing the compressive strength of mortars and substrates, using a substrate treatment and nanoparticles as additives in restoration mortars. It was demonstrated that the use of nano-silica without further additives might be used to tune the properties of air and hydraulic limes according to the specific requirements for restoring cultural heritage objects.