Résumé :
Les pierres du patrimoine subissent différentes sollicitations mécaniques, chimiques et/ou thermiques affectant leur durabilité. Comprendre les mécanismes conduisant à la fragilisation de ces matériaux est primordiale pour développer de nouvelles pratiques de conservation ou de restauration, permettant leur sauvegarde et leur transmission aux générations futures. La cristallisation de sels au sein des pierres du patrimoine est reconnue comme une cause majeure de leur endommagement. Le dérèglement climatique accentue l’impact des sels, notamment par des variations plus fréquentes de l’environnement direct (humidité, température). Les sulfates de sodium sont très couramment rencontrés dans la nature et sont considérés comme les plus destructeurs. Bien que ces sels soient très étudiés, les mécanismes associés à l’endommagement des matériaux demeurent mal compris. L’évolution des propriétés physiques et chimiques des matériaux est révélatrice de processus d’endommagement par les sels. Le suivi quantitatif de ces propriétés, où ont lieu les processus de cristallisation, demeure un véritable challenge scientifique en particulier in situ aux échelles des pores.
Cette thèse propose une méthodologie originale multi-échelle, combinant des analyses expérimentales et numériques de deux calcaires typiques des maçonneries du patrimoine (Savonnières et Saint Maximin), pour identifier et comprendre les mécanismes d’endommagement causés par les sulfates de sodium. À l’échelle mésoscopique (cm), les propriétés de transfert des fluides des échantillons sont étudiées via des expériences de perméabilité et d’imbibition capillaire. Les propriétés mécaniques dynamiques (module d’Young et coefficient de Poisson) sont suivies dans des expériences de propagation d’ondes élastiques. À l’échelle microscopique (µm – nm), la composition minéralogique des échantillons et leurs propriétés physiques (topographie, module d’Young, dureté) sont étudiées grâce au couplage de la spectroscopie Raman et de la microscopie à force atomique. Des modélisations numériques de type LSM (Latisse Spring Model) permettent d’extrapoler les résultats expérimentaux, obtenus à l’échelle microscopique, dans un espace 3D.
Une diminution du module d’Young et de la dureté des phases carbonatées des calcaires est observée au cours des cycles suggérant des processus d’endommagement mécanique. Cette diminution est plus importante le long des plans de clivage qui seraient des zones de faiblesse où se localiserait une micro-fissuration. Les modèles numériques obtenus semblent rendre compte de ce phénomène. La cristallisation de gypse est observée au sein des micropores des échantillons. Des figures de dissolution de la calcite ont également été identifiées dans les mêmes zones suggérant son altération chimique par dissolution. Des processus combinés, mécaniques et chimiques, pourraient ainsi être responsables de la dégradation des pierres par les sulfates de sodium.
Composition du jury :
Anne CHABAS, Professeure, Université de Paris-Est Créteil, Rapportrice
Jérôme FORTIN, Directeur de Recherche Cnrs, ENS Ulm, Rapporteur
Hannelore DERLUYN, Chargée de Recherche Cnrs, Université de Pau et des Pays de l’Adour, Examinatrice
Julie DESARNAUD, Chercheuse, KIK-IRPA Bruxelles, Examinatrice
Pierre M. ADLER, Directeur de Recherche Cnrs émérite, Sorbonne Université, Invité
Sébastien PERALTA, Maître de Conférences, CY Cergy Paris Université, Invité
Philippe BROMBLET, Ingénieur de Recherche, CICRP, Invité
Jérôme WASSERMANN, Ingénieur de Recherche, CY Cergy Paris Université, Encadrant de thèse
Ronan L. HEBERT, Professeur, CY Cergy Paris Université, Directeur de thèse
Jean-Louis GALLIAS, Professeur émérite, CY Cergy Paris Université, Directeur de thèse