Processus d'altération et de transfert de fluides dans les pierres calcarénites du monument Chella-Rabat

FACULTÉ DES SCIENCES

Rabat

N° d’ordre

THÈSE DE DOCTORAT D’ETAT

Présentée par

Abderrahim SAMAOUALI

Discipline : Physique

Spécialité : Thermodynamique Energétique et Environnement

PROCESSUS D’ALTERATION ET DE TRANSFERT DE FLUIDES

DANS LES PIERRES CALCARENITES DU MONUMENT

CHELLAH–RABAT.

Soutenue le 01 juillet 2011 devant le jury :

Président :

O. FASSI-FEHRI, Professeur, Faculté des Sciences de Rabat, secrétaire perpétuel de l’Académie

Hassan II des Sciences et Techniques.

Examinateurs :

M.DIRAISON, Maître de conférences, Université Louis Pasteur, Strasbourg. M. HARNAFI, Professeur, Directeur adjoint de l’Institut Scientifique de Rabat.

M.HADDAD, Professeur, Faculté des Sciences de Meknes, Rapporteur. M.LFERDE, Professeur, Directeur du CEDESTR, Faculté des Sciences de Rabat.

A.HAKAM, Professeur, Faculté des Sciences de Rabat. Rapporteur. L.LAANAB, Professeur, Faculté des Sciences de Rabat.

Y.GERAUD, Maître de conférences HDR, Université Louis Pasteur Strasbourg, Directeur de thèse. M.BOUKALOUCH, Professeur, Faculté des Sciences de Rabat, Directeur de thèse.

Ce travail a été préparé au Laboratoire de Thermodynamique Energétique en collaboration avec l’Institut de Physique du Globe de Strasbourg. Il a bénéficié de plusieurs soutiens financiers dans le cadre de projets de recherche ou de stage:

• Projet présenté en 2004 et financé dans le cadre de la convention de coopération entre le CNRS Français et le CNRST Marocain,

• Projet d’Action Intégrée Volubilis présenté et accepté en 2006 entre le Laboratoire de Thermodynamique de la faculté des Sciences, Université Mohammed V Rabat-Agdal ; et l’Institut de Physique du Globe, Université Louis Pasteur de Strasbourg,

• Financement par l’octroi d’un poste de maître de conférences invité à l’Université Louis Pasteur de Strasbourg.

Ces financements m’ont permis d’effectuer plusieurs stages de différentes durées à l’Institut de Physique du Globe de Strasbourg, ce qui a contribué au bon déroulement et à l’aboutissement de ce travail. Je tiens donc à remercier vivement tous les responsables et les personnages de ces organismes.

Je tiens à adresser mes plus vifs remerciements à Monsieur Mohamed Boukalouch, Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat, responsable du Laboratoire de Thermodynamique Energétique, pour sa disponibilité, son soutien scientifique et son efficacité dans son rôle de directeur de Thèse.

Mes plus vifs remerciements s’adressent à Monsieur Yves Géraud, Maître de Conférences HDR de l’Institut de Physique du Globe, Université Louis Pasteur (Strasbourg), co-directeur de thèse, qui a été à l’origine de la proposition de ce sujet de recherche et qui m’a facilité l’accès à son laboratoire et le travail avec son équipe de recherche. Je lui exprime ma profonde gratitude pour tous ses les conseils qu’il m’a prodigué et les discussions constructives au cours de ces années de thèse. Outre ses qualités scientifiques indiscutables, ce sont ses qualités humaines et sa capacité d’écoute que j’ai le plus appréciées.

Monsieur le Professeur Omar Fassi-Fehri, secrétaire perpétuel de l’Académie Hassan II des Sciences et Techniques de Rabat, m’a fait l’honneur de s’intéresser à ce travail de recherche et a accepté de présider le jury de ma thèse. Je le prie de croire à ma profonde et respectueuse reconnaissance.

Monsieur Abdelilah Hakam, Professeur à la faculté des Sciences de Rabat et Monsieur Mustapha Haddad, Professeur à la faculté des sciences de Meknès ont bien voulu accepter d’être rapporteurs et juges de ce travail, qu’ils reçoivent ici mes profonds remerciements.

Monsieur Mohamed Lferde, Professeur à la faculté des Sciences, directeur du Centre d’Etudes Doctorales en Sciences et Technologies de Rabat et Monsieur Marc Diraison, Maître de Conférences à l’Institut de Physique du Globe de l’Université Louis Pasteur de Strasbourg ont accepté d’analyser ce mémoire et de participer au jury de la thèse ; je les remercie vivement.

Ma reconnaissance va aussi à Monsieur Larbi Laânab, Professeur à la faculté des Sciences de Rabat, pour l’intérêt qu’il a toujours porté à mon travail de recherche et pour les diverses discussions scientifiques fructueuses et stimulantes. Je le remercie d’avoir accepté de participer au jury de ma thèse.

Je ne saurais oublier dans mes remerciements tous ceux qui, à titres divers, nous ont aidé et, plus particulièrement, H. Oudrhiri, professeur assistant, membre du Laboratoire de Thermodynamique Energétique ; E.M. Lotfi, professeur à l’ENSET de Rabat ; M.J.E. Sebbani, M. Harnafi et I.E. El Amrani, professeurs à l’institut scientifique de Rabat pour leur aimable collaboration et leur soutien scientifique et moral.

Je tiens aussi à exprimer ma gratitude aux doctorants M. El messaoudi, Y. El Rhafari et M. Hraita pour leur assistance en matière informatique et l’aide apportée pour la présentation de ce mémoire.

Enfin, je ne saurais laisser sous silence le rôle indirect mais essentiel de mon épouse Hasnae, et de mes enfants Naoufal, Maissae et Adam, ainsi que celui de mes frères et sœurs, pour leur patience et leur soutien affectif sans lequel ce travail n’aurait pu être mené à bien.

Abstract

The objective of this work is to study the weathering of Chellah monument rocks (Morocco). The main causes of deterioration are primarily related to the flow of water through the porous network. Understanding the water transfer mechanisms in these rocks can therefore help better to interpret the weathering process and therefore to find out a solution that help to reduce monument stones degradation. The porosity is a key factor for estimating the resistance of a material to degradation. The porosity of unaltered and altered samples was characterized by the technique of saturation with water and mercury injection porosimetry. The results show that the porous network is bimodal and that the process of weathering of these stones has increased the pore volume of about 2%. The low porosity of the unaltered sample is attributed to the presence of sparitic cement participating in partial reduction of the intergranular porosity. SEM images show that the porosity is localized mainly between the primary grains and can be completely clogged by high rainfall.

The kinetics Measurements of the capillary imbibition and transfer properties of air, by measuring their kinetic evaporation oriented samples have revealed two main axes of anisotropy: parallel and perpendicular to the plane of stratification. Electrical measurements on these oriented samples show that the apparent electrical resistivity is significantly sensitive to changes in water content and degree of saturation. Thermal conductivities of the three faces a cubic sample, dry and saturated with water, were measured. Comparing the two types of data used to determine porosity values for each surface of the sample studied. The comparison with the mercury intrusion method showed the consistency of porosity values obtained. Meanwhile (SEM-EDX) analysis showed a significant change in the internal structure of the stone and also an important variation of the chemical composition with depth. Chemical analysis performed by ICP-AES, XRF and EDX confirm the significant change in the chemical composition of minerals near the surface presence of SiO2, Al2O3, Fe2O3. These

changes are probably induced by chemical precipitation of clay.

Keywords:

Alteration, calcarenite stone, porosity, capillary imbibition kinetics, kinetics of evaporation, sorption-desorption, thermal conductivity, electrical resistivity.

Résumé

L’objectif de ce travail est l’étude des processus d’altération des pierres calcarenites du monument romain Chellah (Maroc). Les principales causes de l’altération sont essentiellement liées à la circulation de l’eau à travers le réseau poreux. La compréhension des mécanismes de transfert de l’eau dans ces pierres permet donc de mieux interpréter les processus d’altération et d’envisager des solutions qui limitent la dégradation de ces pierres. La porosité constitue un facteur essentiel pour estimer la résistance d’un matériau à la dégradation. La porosité des échantillons sains et échantillons altérés a été caractérisée par la technique de la saturation à l’eau et la porosimétrie à injection au mercure. Les résultats montrent que Le réseau poreux est bimodal et que le processus d’altération de ces pierres a entraîné une augmentation du volume poreux de l’ordre de 2%. La faible porosité de l’échantillon sain est attribuée à la présence de ciment sparitique qui participe au colmatage partiel de la porosité intergranulaire. Au MEB, la porosité se localise essentiellement entre les grains primaires et peut être complètement colmatée par les précipitations secondaires.

Les mesures de la cinétique d’imbibition capillaire et les propriétés de transfert d’air, par la mesure de leur cinétique d’évaporation pour des échantillons orientés ont mis en évidence deux axes principaux d’anisotropie: parallèle et perpendiculaire au plan de stratification.

Des mesures électriques sur ces échantillons orientés montrent que la résistivité électrique apparente est significativement sensible aux variations de la teneur en eau et le degré de saturation. Des conductivités thermiques, des trois faces de l’échantillon cubique, à l’état sec et saturé à l’eau ont été mesurées. La comparaison des deux types de données permet de déterminer des valeurs de porosité pour chaque surface de l’échantillon étudié. Les mesures de porosimetrie par injection de mercure ont montré la cohérence des valeurs de porosité obtenues. L’analyse par (MEB-EDX), a montré une importante modification de la structure interne de la pierre altérée et aussi de la composition chimique avec la profondeur. Les analyses chimiques par ICP-AES, XRF et EDX confirment l’importante modification de la composition chimique des minéraux tels que SiO2, Al2O3, Fe2O3 au voisinage de la surface.

Ces modifications chimiques sont probablement induites par des précipitations d’argile.

Mots clés :

Altération, pierre calcarenite, porosité, cinétique imbibition capillaire, cinétique d’évaporation, sorption- désorption, conductivité thermique, résistivité électrique.

Introduction générale

Durant ces dernières décennies, un progrès considérable a été accompli dans l’étude de phénomène de l’altération des matériaux (pierre, béton, brique, bois…..) mis en œuvre dans les constructions (Alonso 1986 ; Hammecker 1993 ; Samson- Gombert 1993 ; Beck 2006 ; Angeli 2007). Ces thématiques ont préoccupé autant les architectes, restaurateurs, et aussi de nombreux scientifiques (géologue, physicien, chimiste…..) dans le but de trouver des remèdes et des solutions pour remédier ou ralentir la propagation de dégradation de ces matériaux (Mertz 1991 ; Hammecker 1993 ; Thomachot 2002 ; Beck 2006 ; Angeli 2007). C’est un processus complexe qui résulte de la combinaison de plusieurs mécanismes combinant des actions chimiques, physiques et mécaniques. Le phénomène est fortement amplifié par la pollution liée au développement de l’ère industrielle (Thomachot 2002 ; Zaouia 2005). Cette relation entre pollution et degré d’altération suit, depuis la deuxième guerre mondiale, une évolution exponentielle (Winkler 1975). D’une façon assez générale, les altérations des pierres des monuments résultent de leur adaptation à de nouvelles conditions extérieures par rapport à leur état naturel, elles vont se remettre en équilibre avec leur nouvel environnement. Bien qu’inévitable, l’évolution et la nature de la dégradation de la pierre dépendent de sa composition minérale et des conditions environnementales (le climat, pollution atmosphérique et les remontées capillaires, évaporation ….) ; et également des caractéristiques de son réseau

poreux et des sollicitations mécaniques et thermiques (Papida et al 2000 ; Warscheid et Braams 2000 ; Thomachot 2002 ; Ezzdine 2009).

Pour les différents types de dégradation observés sur des monuments historiques, diverses hypothèse ont été avancées par différents auteurs ( Hammecker 1993 ; Beck 2006 ; Angeli 2007 ) : la désolidarisation des minéraux entraînant l’affaiblissement de la pierre, est supposée se produire par l’apparition en profondeur de la pierre de fissures due à la dilatation hydrique et thermique (Beck 2006 ; Ezzdine 2009); les phénomènes de dissolution et recristallisation des minéraux et /ou de sels contenus dans la pierre conduisent à la formation des faciès de dégradation typiques, de même que les polluants atmosphériques combinés à l’eau liquide ou vapeur attaquent la pierre par réaction chimique et forment des encroûtements en surface (Fassina 1988 ; Fassina 1992; Thomachot 2002). L’apparition de mousses et champignons sur la surface de la pierre fragilise la structure poreuse de la pierre (Berdoulay 2008). Bien que ces hypothèses d’explication des dégradations semblent fortement envisageables, elles restent néanmoins qualitatives et des justifications plus quantitatives restent à venir.

En effet, l’eau est le facteur principal externe de développement des altérations. Elle peut agir de manière directe (gel, dissolution sélective de minéraux, recristallisation…) comme de manière indirecte (transport des sels solubles, favorisation de l’activité biologique, …). Donc le comportement des pierres vis-à-vis de l’altération étant directement lié aux phénomènes de transfert de fluides (eau liquide, vapeur, air…), une étude détaillée des propriétés de transfert d’eau dans les pierres calcarénites est donc primordial. Une bonne connaissance des paramètres jouant un rôle dans les phénomènes de transferts (capillaire, évaporation, thermique, électrique), permet de mieux comprendre les mécanismes d’altérations et d’envisager des solutions limitant leur progression. Une fois que tous ces facteurs ont été bien ciblés et compris, la protection de la pierre peut être envisagée. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse concerne la roche calcarénite utilisée depuis l’antiquité par les romains comme pierre de construction. Cette roche sédimentaire de couleur jaune ocre se trouve principalement dans la région de rabat-salé, elle a servi pour la construction et la restauration de divers monuments (site Chellah, kasbah Oudaya, Tour Hassan…….). Elle est caractérisée par une forte porosité de l’ordre de 32% (Samaouali et al 2010), et une assez bonne résistance à la compression (Benbourhaba 2001).Cependant, les altérations observées sur les édifices construits avec ce matériaux apparaissent très différentes

et dépendent d’un site à l’autre (Zaouia 2007).Dans cette problématique, une étude de la détérioration de la pierre calcarénite de Rabat est réalisée dans le cadre de projet volubilis (PAI), en collaboration avec l’Institue Physique du Globe Université Louis Pasteur Strasbourg.

Ce travail de thèse s’organise en cinq chapitres :

Le chapitre 1 entame une description bibliographique générale des différents facteurs

et des types d’altérations, de la pierre en œuvre, rencontrées dans la littérature.

Le chapitre 2 est consacré à la description et les caractéristiques des milieux poreux.

La définition et la classification de la porosité sont énoncées. Le concept teneur en eau est précisé.

Le chapitre 3 présente les lois phénoménologiques et l’étude théorique sur les

propriétés de transferts de fluides (eau liquide, vapeur, chaleur) dans les matériaux poreux.

Le chapitre 4 s’intéresse à la présentation des différents types d’altérations

rencontrées sur le site monument romain Chellah. Un bilan des observations est réalisé avec, en illustration, quelques exemples de détériorations concernant la pierre calcarénite.

Le chapitre 5 est consacré aux méthodes de mesures et de caractérisations utilisées.

Nous commençons à présenter les caractéristiques chimiques, minéralogiques, pétrographiques, les mesures petrophysiques, les techniques pour mesurer les paramètres et les coefficients des transferts dans le calcarénite.

Le chapitre 6 énonce les résultats expérimentaux et porte sur l’analyse de l’altération

des pierres qui ont été prélevées à Chellah et les pierres non altérés provenant de la carrière. La porosité totale et le réseau poreux des deux matériaux sont caractérisés. Les paramètres et les coefficients de transfert dans ces pierres sont présentés. L’influence de la teneur en eau et/ou le degré de saturation sur des paramètres physiques (conductivité thermique, conductivité électrique) sont évalués.

Chapitre 1 . Altération de la pierre en

œuvre

Introduction

La pierre naturelle subit continuellement des mécanismes physico-chimiques produisant des altérations. Le monument peut être délabré par des altéragènes (climat, pollution, ….). Le type des altérations dépend des propriétés du matériau, de sa morphologie, et de sa structure poreuse. Nous présentons une description générale des principaux facteurs qui provoquent l’altération de la pierre exposée aux conditions environnementales, ainsi que les différents types de l’altération. Il est difficile de différencier les causes d’altération selon leurs mécanismes (mécaniques, physiques ou chimiques) car ces mécanismes agissent simultanément.

1.1 Différents facteurs d’altérations

1.1.1 L’humidité

L'eau et l’humidité sont les causes de dégradations majeures des matériaux pierreux mis en œuvre sur le patrimoine bâti. Ces facteurs ont un rôle très important dans la formation de croûtes noires gypseuses, désagrégation sableuse et alvéolisation, surtout dans les zones abritées et humides (Arnold et Zhender 1998 ; Thomachot 2002). Sur certain mur de monument, des taches humides peuvent être liées uniquement à la présence d'eau (remontées capillaires, condensation, fuite de gouttière, arrosage …) ou bien encore à l'absorption de la vapeur d'eau de l'air par des sels hygroscopiques présents sur et à l'intérieur de la maçonnerie. Ces taches humides sont des zones assombries par l'humidité. Elles peuvent être considérées comme des altérations chromatiques. Il existe plusieurs sources et types d’humidité (pluie, sol, air….), aux conséquences très différentes (Hudec et Sitar 1975 ; Ezzdine 2009). Il est important de les spécifier et de déterminer leurs origines pour établir un constat correct permettant, d’une part de prendre les mesures nécessaires pour la prévention et d’autre part, de proposer les moyens efficaces pour la restauration.

1.1.2 Précipitation de sel

Les altérations de caractère chimique qui entraînent une évolution et/ou transformation minéralogique préférentiellement sur la surface ou en profondeur de la pierre, sont caractérisées par la présence anormale de sels (Rijniers et al 2005; Angeli 2007). Ces sels solubles sont responsables des principales formes d’altération, tel que des efflorescences, de l’alvéolisation et des desquamations. Les sels, transportés par l’eau, pénètrent dans le réseau poreux par imbibition capillaire. L’origine de ces sels, est donc nécessairement liée à la

spécificité de l’exposition des pierres qui sont soumises à de nombreux cycles d’imbibition- séchage (Hammecker 1993). Les principaux paramètres qui influencent ces processus de détérioration sont ceux de la roche (paramètres mécaniques, capillarité, séchage), ceux du réseau poreux (tortuosité, diamètre de pore moyen) ainsi que ceux du sel (localisation de la cristallisation, pression de cristallisation, forme des cristaux) (Flatt 2002 ; Benavente et al. 2004, Scherer 2004 ; Steiger 2005 a, b). En effet, le coefficient capillaire est le paramètre pétrophysique concernant les caractéristiques des réseaux poreux qui est le plus approprié pour évaluer l’altération des pierres par cristallisation des sel (Angeli 2007), de même, l’évaporation est un autre processus important régissant l’altération par le sel comme suggéré dans la littérature (Goudie et Viles 1997). Ces deux propriétés de transfert font l’objet d’une partie d’étude dans ce travail (voir chapitre 6.3.1 et chapitre 6.4.1).

1.1.3 La température

Les fluctuations de la température jouent un rôle non négligeable dans le processus de l’altération de la pierre mise en œuvre, et sont liées aux conditions climatiques (pluies, humidité relative, ensoleillement…). Ces changements de température, en présence de la teneur en eau, favorisent les attaques chimiques (spécialement celles relatives à la cristallisation des sels) et les actions physiques provocant la dégradation de la pierre. Ces processus jouent un rôle important dans la dégradation de la pierre in situ (Ferrero et Marini 2001; Ezzdine 2009). Un changement de température correspond toujours à un changement de volume. A cause de l’inertie thermique et des pertes ou gains de chaleur par rayonnement, ces températures peuvent différer complètement de celle de l’air qui entoure le matériau. Répétés avec fréquence, les cycles thermiques diminuent la qualité des matériaux, et avec le temps, ils peuvent même causer, par fatigue, des fractures à l’échelle de la microstructure. Certains minéraux ont une grande anisotropie de la dilatation thermique, plus particulièrement la calcite qui a une forte dilatation dans son axe principale mais une contraction dans le sens perpendiculaire (Kieslinger 1968), il en résulte qu’un échauffement, souvent répété, fait éclater les espaces intergranulaires des grains de la calcite. Dans les régions semi aride comme le Maroc, les variations journalières remarquables de température font de ce phénomène, un processus non négligeable dans la dégradation des pierres de monuments ; ensuite, la couleur, la texture et la nature de la pierre facilitent cette altération, car sa capacité d’absorption calorifique et sa conductivité thermique en dépendent (Coque 1993). Ce dernier paramètre thermique est développé dans le chapitre 6.4.

1.1.4 Le gel

Dans la littérature, le gel est considéré comme un agent important de l’altération des matériaux pierreux ou rocheux (Hirschwald 1912 ; Thomas 1938 ; Thomachot 2002) surtout dans les microclimats très froids. Le phénomène de gel-dégel est relativement moins important à cause de la rareté de l’abaissement de la température au dessous de 0°C à Rabat.

Le gel-dégel favorise l’écaillage, la gélidisjonction, et la désagrégation sableuse des pierres des monuments. Ces dégradations ont été attribuées indirectement à l’expansion volumique (9 % en volume) due à la cristallisation de l’eau (Litvan 1978 ; Prick 1995). Lorsque l’eau gèle dans les pores et le réseau poreux des pierres, elle génère une contrainte qui peut conduire à une fissuration de la pierre (Javey 1972 ; Prick 1999 ; Andrèn 2006). La température de congélation de l'eau dans les pores est d'autant plus basse que les capillaires ont des rayons de faible diamètre (Everett 1961 ; Blachere 1975), et pour que la goutte d’eau se transforme en agrégat (germe) de glace, celui- ci doit franchir une barrière d’énergie qui est fonction de la température et du rayon de l’agrégat (Samaouali 1987).

1.1.5 La pollution atmosphérique

Ces dernières décennies, la pollution atmosphérique s’ajoute aux effets naturels et accentue la cinétique d’altération des pierres mises en œuvre. Cette action atmosphérique peut entraîner, dans certain cas, la dissolution et la formation de différent type de croûtes noires sur la pierre. La dissolution est la conséquence d’une attaque chimique par les acides contenus dans les pluies (PH > 4) ; alors que, les encroûtements noires ou bruns sont de nature gypseuse (Thomachot 2002). Anne Chabas (1997) a montré que deux sources d’apports atmosphériques sont responsables dans la formation des croûtes dans le marbre et le granite : une source marine de sulfate de calcium et une source anthropique régionale, en microsuies soufrées et cendre volantes de fine granulométrie.

Camuffo (1998) a supposé que la participation des pluies acides à l’altération des pierres est moins importante que la brume qui humecte les surfaces des pierres par adsorption et condensation capillaire, et permet donc la fixation et l’activation chimique des aérosols atmosphériques. D’une part, ces particules (suies, cendre volantes carbonées, combustions énergétiques….) sont des polluants acides et d’autre part, elles se comportent comme de bons catalyseurs de réactions chimiques (Camuffo 1984 a et b ; Guillot 1989).

Généralement, la restauration des monuments se fait par un remplacement des pierres les plus endommagées. Les pierres utilisées en restauration et les pierres remplacées du site doivent présenter un aspect et certaines propriétés physiques semblables. L’utilisation du même type de pierre est vivement souhaitée par les restaurateurs. Sur un monument, l’assemblage de pierres d’aspects similaires mais de natures pétrophysiques différentes peut accélérer la dégradation de l’une d’elles (Dessandier 1995). De même, une pierre ayant une perméabilité importante, associée à une autre pierre ayant une perméabilité faible, empêche la circulation homogène des fluides (eau liquide, eau vapeur, soluté). Cette dernière sera beaucoup moins drainée que sa voisine et accumulera des sels dissous favorisant sa dégradation. Par exemple, l’association du tuffeau et de la pierre de Richemont accélère l’altération du tuffeau (Thomachot 1998 ; Derbez 1999).

1.1.7 Complexité du jeu des facteurs

Les processus résumés précédemment n’agissent pas indépendamment les uns des autres. L’association de changements d’humidité à des oscillations de température dans les pierres en œuvre rend les processus d’altération associés beaucoup plus efficaces (Prick 1999). Donc, l’altération des pierres est un processus complexe et nécessite la prise en compte de nombreux facteurs. La combinaison de ces facteurs est essentielle pour l’étude de l’altération car des pierres similaires sur des sites différents peuvent connaître une altération très différente. Le problème dans l’étude de l’évolution de la stabilité d’un monument donné est de déterminer non seulement les processus d’altération qui interviennent mais aussi les principaux facteurs qui les conditionnent afin d’établir un modèle le plus proche possible du processus réel.

1.2 Les différents types d’altération

Les différents mécanismes d’altération sont initialisés par l’association de facteurs internes et externes (Alonso 1986). Les facteurs internes sont des caractéristiques intrinsèques à la pierre (caractérisation minéralogiques, pétrophysiques, mécaniques) contrôlant un mécanisme d’altération donné. En outre, ces mécanismes sont commandés par des facteurs externes à la pierre : condition d’exposition et d’alimentation (Samson-Gombert 1993).

1.2.1 Les altérations physiques

Les mécanismes physiques d’altération provoquent la désagrégation partielle des pierres, soit sous forme de grains soit sous forme d’éléments plus importants, mais sans

modifier la composition minéralogique, ou la composition chimique d’origine. Les principaux mécanismes physiques sont les ravinements, dilatations hydriques, thermiques, la gélifraction et l’érosion.

1.2.1.1 Les ravinements

Sur les bâtiments anciens ou récents, les ravinements se produisent sur des édifices exposés à des ruissellements accidentels (sur des gargouilles, des chenaux défectueux,……). Sur des pierres litées ou stratifiées, ils mettent en relief les lits les plus durs, tandis que les pierres homogènes sont creusées de façon uniforme. Ils sont dus à une érosion mécanique provoquée par des écoulements non contrôlés.

1.2.1.2 Alvéolisation et désagrégation sableuse

L'alvéolisation apparaît surtout sur les matériaux très poreux, par formation de cavités de formes et de dimensions variables (alvéoles, sillons). Ce type d'altération se développe dans les endroits humides et non lessivés. Elle est caractéristique des pierres calcaires granulaires subissant l’action de la cristallisation des sels comme la halite (NaCl) et la thénardite (Na2SO4). Elle provoque une érosion qui peut être assez rapide sous l’action des

pluies et du vent. Cette érosion peut se faire soit de façon homogène induisant un recul de la surface de la pierre sur plusieurs centimètres, ou bien de façon différentielle aboutissant à la formation d’alvéoles (figure 1.1). La désagrégation sableuse est une décohésion des grains constitutifs de la partie superficielle de la pierre (figure 1.2). Cette désagrégation physique augmente la surface de contact de la matière minérale avec l’eau et l’air.

Figure 1.1 : alvéolisation sur un mur en tuffeau (Château des ducs de Bretagne)

France. Nantes, France.

Figure 1.2 : désagrégation sableuse sur l’église St Etienne, France.

Lorsque cette décohésion se produit de façon différentielle, certaines zones de la surface de la pierre sont en retrait par rapport à la surface d'origine. Les alvéoles peuvent atteindre une taille métrique : c'est l'altération caverneuse décrite par Cayeux (1911) sur les affleurements naturels. Cette forme d'altération en alvéole est aussi appelée ‘‘honeycomb’’ lorsque la dégradation survient en zone côtière sur des pierres exposées aux sels marins (McGreevy 1985 ; Smith et al 1997).

1.2.1.3 Erosion

L'érosion s’étale avec une intensité variable sur différentes régions du matériau pierreux. Cette différence d'intensité est due aux variations de la structure poreuse de ce matériau. Généralement, l'érosion accentue souvent l'hétérogénéité de la structure originale et se manifeste couramment sur les pierres sédimentaires.

1.2.1.4 Les dilatations

Les dilatations hydriques et thermiques peuvent provoquer l’apparition des fissures sans entraîner un changement au niveau de la composition minéralogique. Les fissures résultent alors d’une désolidarisation du squelette solide et conduisent à l’éclatement de la pierre(Hames et al 1987 ; Chéné et al 1999).

1.2.1.5 Les charges mécaniques

Ce type de dégradation est directement lié à la structure du monument. Cependant, sous l’action de sollicitations trop importantes pour la capacité de la pierre, les contraintes peuvent provoquer la fissuration et même la rupture d’un élément (Rautureau 2001). La cause la plus distinguée est l’affaiblissement de la résistance mécanique dû à la saturation de la pierre en eau (mamillan 1967).

1.2.2 Les altérations chimiques

L’altération chimique modifie la composition minéralogique, elle agit de deux façons : certains minéraux par exemple (halite, calcite) sont dissous et leurs ions sont évacués en solution ; d’autre minéraux sont transformés en d’autre espèces minérales, surtout en argile. La plupart des réactions impliquées dans l’altération nécessitent la présence d’eau et d’air (Pedro 1993).

Les variations de la teneur en eau dans la pierre jouent un rôle important dans l’altération de la pierre mise en oeuvre (De Muynck et al 2008). Ces variations sont liées aux conditions climatiques (pluies, humidité de l’air ambiant, température, vent, ensoleillement). A l’état liquide, l’eau s’infiltre par capillarité dans le réseau poreux des pierres et peut, soit dissoudre les minéraux les plus solubles, soit geler et induire des contraintes mécaniques. Ainsi, la circulation de l'eau dans une pierre s'accompagne d'une dissolution, puis d’une recristallisation des minéraux lors de l’évaporation de l’eau. De plus, l’eau provoque un processus de biodétérioration de la pierre in-situ, en la rendant bioréceptive, elle permet le développement des microorganismes (Berdoulay 2008).

1.2.2.2 Les patines

Les patines se forment par une réaction première de la pierre lorsqu’elle est extraite de la carrière et mise en oeuvre. Elles se traduisent par un changement de couleur et/ou une modification superficielle de la texture (figure 1.3). Elles résultent de la migration, vers la surface de la pierre, de constituants présents dans la masse du matériau. Les patines couvrent généralement les surfaces exposées aux alternances d’imbibition-séchage, et sont absentes dans des pierres situées à l’abri des intempéries (Zaouia 2007). La patine la plus connue est le calcin qui se forme sur les pierres calcaires par dépôt de calcite. Elle forme ainsi un épiderme superficiel plus ou moins solidifié. Sa dureté, sa couleur et sa composition proviennent de la nature et de l’âge de la pierre mise en œuvre, ainsi que des conditions environnementales.

Figure 1.3 : Patines observées sur une main courante en tuffeau (Cloître de la Psalette- Tours) (Beck 2006).

La formation de patines n’est pas homogène sur toutes les pierres d’un monument. Leurs rôles apparaissent généralement comme intéressant, car elles tendent à améliorer le

comportement des pierres vis-à-vis du gel et de certains sels. Elles peuvent, sous réserve, être qualifiées de patines protectrices, du fait qu’elles forment une barrière externe relativement imperméable au système ouvert aux agressions, que représente la roche poreuse d’origine.

1.2.2.3 Les dissolutions

La dissolution affecte les minéraux des pierres exposées à des lessivages importants et plus particulièrement la calcite, et se traduit par une érosion superficielle de la pierre (figure 1.4). Elle est d’autant plus importante que le flux d’eau ruisselant est important et à régime turbulent (Camuffo 1995).

Figure1.4 : Représentation schématique des dissolutions et désagrégations sableuse (Cathédrale de Strasbourg, 2001).

Ce lessivage empêche l’accumulation de poussières atmosphériques et emporte les éventuels produits d’altération. Les dissolutions sont d’autant plus intenses et rapides que les eaux de pluie sont acides (Morse et al 2002); c’est pourquoi elles sont amplifiées par la pollution atmosphérique (Johnson et al 1996).

1.2.1.4 Les plaques

Les pierres soumises à des pluies fouettantes et subissant des alternances d’imbibition et de séchage, présentent un début en plaque dont l’épaisseur varie de quelques millimètres à plusieurs centimètres. Comme tous les types d’altération, l’apparition en plaque dépend de propriétés liées au milieu poreux des pierres. Le développement des plaques est contrôlé par

les conditions d’évaporation qui permettent la précipitation de sels à une certaine profondeur dans la pierre. On les observe donc dans les zones bien aérées comme les pierres d’angle (figure 1.5), et sur des pierres lessivées où les concentrations de sels ne peuvent se former qu’on profondeur.

Lorsqu’une plaque se détache et tombe, il est rare qu’une nouvelle plaque se développe sur le même emplacement car après la chute d’une plaque, la surface de la pierre se trouve en retrait par rapport à l’ensemble du mur (figure 1.6). La pierre partiellement à l’abri des pluies et des ruissellements subit alors moins de lessivage et donc des imbibitions insuffisantes pour permettre le développement de nouvelles concentrations de sels ; habituellement, sur l’emplacement des anciennes plaques, se développe une désagrégation sableuse.

Figure 1.5: Altération en plaques initiées su des pierres d’angle. (Château de Chaumont)

Figure 1.6 : altération en plaques (Château de Chambord)

1.2.1.5 Les efflorescences et subflorescences

Dans certains cas, la dégradation de la pierre sur monument est une conséquence de la cristallisation du sel. Si elle se fait à l’intérieure du matériau, elle conduit à la formation de phénomène de subflorescence. A Contrario, si elle se fait à la surface du matériau, elle conduit à la formation d’efflorescence (Goudie et Viles 1997).

Dans ce contexte, le séchage est un processus largement accepté pour expliquer ces types d’altérations (Kirchner 1993). Quand l’eau saturant partiellement l’espace des pores d’une pierre poreuse s’évapore, la concentration du sel dissous dans l’eau contenu dans les pores croît. Lorsque la concentration du sel devient importante et atteint la concentration critique de

saturation, le sel cristallise. Il est ultérieurement admis que la cristallisation induit les dégâts grâce à des contraintes exercées sur les parois des pores par les cristaux en cours de croissance (Scherer 2004 ; Putnis et Mauthe 2001). Quand les cristaux apparaissent, la situation devient très compliquée car elle modifie l’espace poreux (subflorescence), ou conduit à la formation d’une couche de surface (efflorescence) qui évolue et dont les propriétés de transport sont différentes de celle du matériau sous-jacent (figure 1.7).

Figure I.7 : Formation d'efflorescences : photo Institut de Géologie, Boulevard de la victoire, Strasbourg (2001). (D’après Thomachot 2002)

1.2.1.6 Les encroûtements

Les encroûtements noirs représentent une altération superficielle répandue sur tout type de pierres (calcaires, grés, granite ……), et spécialement celles provenant d’un milieu urbain. Cet aspect d’altération a connu une augmentation considérable au cours de ces dernières décennies (figure 1.8). C’est le type d’altération qui, par sa composition et ses localisations, est le plus attribuée à la pollution atmosphérique. A la surface des pierres et même des enduits, on peut observer des encroûtements noirs, souvent épais et d’aspect scoriacé. En dessous de l’encroûtement, la pierre est compacte et cohérente ou au contraire pulvérulente et friable sur plusieurs centimètres. Les encroûtements ne se développent que dans les parties humides mais abritées des lessivages, là où peuvent s’évaporer les solutions qui ont transité par capillarité à travers la roche (Fassina 1988 ; Fassina 1992 ; Thomachot 2002). On les rencontre sur les faces inférieures des linteaux, des corniches, des cordons et dans les parties en creux des sculptures par exemple.

L’étude au microscope de ces encroûtements permet de mettre en évidence une succession de couches différentes par leur composition, leur structure et leur origine (Thomachot 2002).

Figure 1.8 : encroûtements noirs : Photo base du transept Nord de la cathédrale de Strasbourg (2001) (extrait de Thomachot 2002)

1.2.3 Les altérations biologiques

La biodétérioration des matériaux peut être définie comme l’ensemble des modifications des propriétés physico-chimiques et mécaniques d’un matériau sous l’action des micro-organismes (bactéries, champignons, mousses, algues, moisissures). Cette détérioration d’origine biologique est préjudiciable et atteint tous type de matériaux (pierre, roche, béton, bois, polymère……….). Les monuments historiques sont les plus touchés par ces agents biologiques. Ces êtres vivants sont susceptibles de coloniser les monuments de pierre aussitôt que les conditions nécessaires à leur croissance sont réunies. Leur développement est lié à la présence d’un taux d'humidité constant. Ils provoquent des dégâts et accélèrent la détérioration des pierres mise en œuvre. En effet,Les thalles des lichens qui prolifèrent sur la surface des monuments de pierre provoquent des dommages conséquents, dans la mesure où ils y forment de grandes taches de couleur parfois très difficiles à enlever.

Les lichens provoquent en outre l'effritement physique autant que chimique des couches minérales, et accélèrent de manière significative la dégradation des monuments (Crispim et Gaylarde 2005).Les algues microscopiques ou micro-algues sont responsables de nombreuses salissures, de couleur variée (noire, vert, orange, etc.), qui dégradent l’esthétique de multiples supports (monuments historiques, grottes préhistoriques …..) et nécessitent des interventions souvent vigoureuses pour les éliminer. La présence de végétation à la surface ou dans les pores de la pierreprovoque la décomposition du carbonate de calcium sous l'action des acides végétaux ; et contribue à la formation d'une couche compacte qui, de façon purement mécanique, étanche la surface et freine l'évaporation de l'eau. L'isolation extérieure formée par la végétation crée une ombre constante qui entretient l'humidité de la pierre. Un grand nombre de ces mécanismes d’altération a d’ailleurs été décrit dans la littérature (Warscheid et Braams 2000).

1.3 Restauration et préservation

Les recommandations de la charte de Venise sont claires en matière de conservation et de restauration du patrimoine matériel. Elles mettent l’accent sur le fait que la restauration des monuments historiques constitue une discipline qui fait appel à toutes les sciences et à toutes les techniques qui peuvent contribuer à l'étude et à la sauvegarde du patrimoine monumental.

Pour la conservation d’un monument historique, il est donc nécessaire de réaliser des études et des analyses assez générales, qui doivent permettre une meilleure compréhension de l'œuvre : son histoire, son environnement, les techniques et les matériaux utilisés, les altérations, ceci afin de définir les meilleures conditions de conservation et de restauration. Les difficultés rencontrées pour réaliser ces études sont dues: à la diversité des matériaux analysés, à la petite taille des échantillons, aux techniques d'analyses nécessitant souvent leur destruction. Néanmoins, La caractérisation des phénomènes d'altération et des produits de traitement est une partie importante, car ils sont étroitement liés aux conditions de conservation. Une bonne connaissance des matériaux rencontrés est donc indispensable, et c’est dans cette optique, que nous avons entrepris ce travail de recherche.

Chapitre 2 . Description et caractéristiques

des milieux poreux

Introduction

Les milieux poreux sont des agrégats d’éléments solide (grains, matrice, etc.) entre lesquels les vides forment l’espace poreux proprement dit. Ce sont ces vides au sein du matériau poreux qui induisent les grandes différences de comportements physiques que l’on observe entre les solides compacts (minéraux par exemple) et les corps poreux. L’espace poreux peut être occupé par un ou plusieurs fluides. Ces fluides peuvent être liquides ou gazeux, voire même une phase solide additionnelle par précipitation d’un composant dissous. Des interactions physico-chimiques entre la matrice et les fluides peuvent avoir lieu.

L’objectif de ce chapitre est de décrire les milieux poreux et d’introduire leurs caractéristiques nécessaires à la compréhension de ce travail.

2.1 Description des milieux poreux 2.1.1 Définition

Un milieu poreux se compose d’une matrice solide et de son complément géométrique, l’espace poreux. On peut distinguer deux milieux poreux : les poreux granulaires et les poreux consolidés. La figure 2.1 représente une représentation schématique d’un matériau poreux.

Figure 2.1 : exemple d’un milieu poreux

Le poreux granulaire typique est l’empilement de billes de verre ou de grains de sable. Dans la pierre (roche calcaire, le béton) qui peut être pris comme exemple de poreux consolidé, l’espace poreux est plutôt cavé dans la matrice solide.

La matrice solide peut être continue ou discontinue. Dans cette étude, l’eau constitue la seule phase liquide présente tandis que la phase gazeuse se limite à la présence éventuelle d’air.

Solide

Gaz Liquide

2.1.2 Milieux uniforme, homogène et hétérogène

Un matériau est appelé homogène s’il présente une masse (solide, liquide) identique en tous points. Un milieu uniforme est un milieu dont les propriétés physiques sont similaires en tout point ; un matériau est hétérogène s’il présente des différences de structure ou bien de matière, éventuellement plusieurs phases (liquide + solide) (Danquigny 2003). Un matériau est dit isotrope si ses propriétés physiques sont identiques dans toutes les directions.

2.2 Caractéristiques du milieu poreux

2.2.1 Volumes et masses des différentes phases

Un fluide (eau liquide, vapeur, air) dans un matériau poreux évolue à l’intérieur d’un espace délimité par la matrice solide du matériau. La figure 2.2 donne une représentation schématique nous permettant de définir les relations entre les volumes et la masse des trois phases.

A cet effet, nous présentons quelques paramètres préliminaires indispensables. Ces paramètres ou grandeurs d'état, sont classés suivant deux groupes: paramètres extensifs et paramètres intensifs.

Figure 2.2 : Diagramme schématique du système à trois phases (Hillel 1988)

Avec V : volume apparent (m3) ; Vs : volume de solide (m3) ; Vl : volume de liquide (m3) ;

Vg : volume gazeux (m3) ; Vp : volumes des pores (m3) ; m : masse totale (kg) ; ms : masse de

solide (kg) ; ml : masse de liquide (kg) ; mg : masse de gaz (kg).

Masse totale : m = ms + ml + mg (kg)

La masse de gaz mg est considérée comme négligeable devant les autres masses (liquide,

solide).

Volume apparent : V = Vs +Vl + Vg (m3)

Volumes des pores : Vp = Vl + Vg (m3)

Masse volumique apparente et masse volumique apparente à l’état sec : V m =

ρ

ρ

Masse volumique absolue :

S S S

V

m

=

ρ

La porosité est par définition le rapport du volume des vides (V ) au volume total (_v V ) _t

du corps considéré. Le volume du solide (V ) est donné par _S V_{S =}V_{t −}V_v . Il suffira donc de

mesurer deux de ces trois paramètres pour calculer la porosité. Différentes méthodes de mesure de la porosité sont décrites dans la littérature (Dullien 1979).

Dans le cas des milieux consolidés (roches, pierre ou béton), la porosité constitue une caractéristique intrinsèque, et peut être un indicateur de l’altération du matériau.

2.2.2.2 Porosité d’interstice et de fissure

La porosité peut être de deux formes. La porosité d’interstice représente les vides subsistant autour de particules minérales solides, plus ou moins cimentées alors que la porosité de fissure correspond aux fissures, fractures ou diaclase non colmatées présentes dans les roches. Généralement, dans les roches naturelles, ces deux types de porosité cohabitent.

2.2.2.3 Porosité connectée et occluse

On distingue deux types de porosité : la porosité ouverte (connectée) accessible à la pénétration du fluide (dans notre cas l’eau et l’air), et la porosité fermée (occluse) non accessible à la pénétration du fluide (figure 2.2). Dans de nombreux types de milieux poreux,

la porosité occluse est peu abondante, elle est souvent négligeable surtout dans les roches sédimentaire.

Figure 2.2 : milieu poreux ; a) porosité ouverte, b) porosité non connectée.

2.2.2.4 La distribution des dimensions de pores et de grains

La détermination de la distribution des dimensions des grains et de pores s’impose lorsqu’on s’intéresse à la structure du matériau. En effet, les méthodes de l’analyse statistique permettent de mettre en évidence la caractérisation de la distribution des tailles des grains (courbe granulométrique) ou des pores (courbe porosimétrique).

La porosité, la taille, la forme des grains, la distribution et les dimensions des pores sont des paramètres caractérisant la microstructure d’un matériau poreux. Ce sont des paramètres importants pour différencier les milieux entre eux.

2.2.3 Facteurs contrôlant et modifiants la porosité

La complexité de la taille et de la forme des pores dans les pierres sédimentaires est due à différents facteurs. Premièrement, elle est reliée à la large gamme de taille et de forme des grains, lesquels créent les pores par leur assemblage ou leur dissolution, de plus elle est aussi reliée à la variation de taille et de forme des pores intragranulaires. La complexité physique au sein d’une roche sédimentaire augmente considérablement avec les processus de dissolution (Choquette et Pray 1970).

2.2.4 _{Microporosité et macroporosité}

b

Les classifications de la porosité en fonction de la taille des pores sont très nombreuses et souvent arbitraires car les seuils de coupures entre les domaines dits microporeux et macroporeux varient selon les auteurs et selon les méthodes utilisées pour l’investigation du milieu poreux. Nous donnons des exemples de limite entre macro et microporosité:

- au microscope optique : 1/8 de mm (Chouquette et Pray 1970), 10 µm (Zinszner 1980), 5 µ m (Bousquie 1979) ;

- au microscope électronique à balayage : 0,5 µm (Pittman 1971) ;

- en porosimétrie au mercure, la limite supérieure du rayon de pore caractérisant la microporosité est habituellement située à 7,5 µm (Mertz 1991 ; Sizun 1995).

Nous verrons dans notre expérimentation sur les pierres calcarénites, par la technique de porosimétrie à injection de mercure, que la limite entre les domaines de macro et microporeux se situe autour de 10 µm.

2.2.5 Tortuosité

La tortuosité

_τ

2       = L Le

τ

Avec Le : Longueur effective du déplacement du fluide, c'est-à-dire la longueur moyenne des lignes de courant du fluide traversant le matériau ; L : longueur du matériau poreux ou distance parcourue par le fluide dans la direction de l’écoulement.

2.2.6 La connectivité

La connectivité est un paramètre topologique qui mesure le degré d’interconnexion d’un matériau poreux, en général il est préférable que le réseau de pores capillaires soit constitué de pores les plus petits possibles car le degré d’interconnexions y est plus faible (Quenard 1999). La perméabilité s’en trouve alors considérablement diminuée car il y a moins

de chemins préférentiels pour le passage des liquides, des gaz ou des ions potentiellement agressifs.

2.2.7 Volume élémentaire représentatif

Pour la compréhension du sens de ce concept, nous considérons la valeur de porosité totale et sa fluctuation en fonction du volume de l’échantillon utilisé pour l’évaluer. Lorsque ce volume est suffisamment grand par rapport à la dimension des pores, il contient un nombre important de pores et la valeur correspondante de la porosité totale peut être considérée comme représentative de la valeur moyenne de cette dernière. En revanche, quand le volume d’évaluation diminue, la valeur de la porosité fluctue de plus en plus selon les zones considérées du milieu poreux. Cette fluctuation devient maximum entre 0 (pour la phase solide) et 1 (pour le pore) quand le volume est suffisamment petit. On appelle volume élémentaire représentatif du milieu, le volume VER, au-delà duquel la porosité moyenne ne varie plus compte tenu de la précision expérimentale. La notion de porosité totale moyenne du milieu n’a de sens que pour des volumes égaux ou supérieurs à VER.

Définition d’après Kutilek et Nielsen (1994)

Quand le volume de mesure est très petit, il peut être entièrement situé dans un pore et la porosité est égale à 1 ; il peut aussi être situé dans la phase solide et la porosité est égale à 0. Au fur et à mesure que le volume utilisé pour la mesure croit, la porosité des échantillons centrés dans les pores diminue, inversement la porosité des échantillons centrés dans la phase solide augmente. Ces deux porosités tendent vers une même valeur et sont identiques à partir d’un certain volume d’échantillon. Ce volume est appelé le volume élémentaire représentatif.

2.2.8 Concepts teneur en eau

2.2.8.1 Teneur en eau massique

C’est le rapport entre le poids de l'eau contenue dans un matériau poreux et le poids de ce matériau après séchage, exprimé en pourcentage.

s w

W

W

w =

Avec Ww: le poids de l’eau dans le matériau, Ws: le poids du matériau à l’état sec

C’est le rapport du volume de l'eau V_eau contenue dans les pores (ou vides) du

matériau poreux au volume total V du matériau considéré.

V

V

=

θ

Où V_eau : le volume d’eau occupant les pores ; V : le volume total du matériau.

Les deux variables teneur en eau volumique _θ et teneur en eau massique w sont reliées par la relation :

w

.

ρ

ρ

θ

=

Où _ρ0 : la masse volumique du matériau à l’état sec (kg.m-3) ;

_ρ

2.2.8.3 Le degré de saturation

C’est le rapport entre le volume de l’eau au volume des pores

vides eau r

V

V

S

=

Le degré de saturation peut être exprimé en fonction de la teneur en eau et la porosité :

N V N V S eau r θ = = . (2.6)

Avec, V_eau: le volume d’eau occupant les pores ; V : le volume total du matériau ;_θ : la

teneur en eau volumique ; N : la porosité du matériau. Le degré de saturation S_rpeut prendre

toute valeur entre 0 (matériau sec) et 1 (matériau saturé).

2.2.8.4 Masse volumique apparente

C’est le rapport entre la masse du matériau poreux à l’état sec et le volume apparent du matériau.

V

m

=

ρ

Avec m masse du matériau à l’état sec ; s: V volume apparent du matériau :

2.2.9 Eau et milieux poreux 2.2.9.1 Adsorption

L’adsorption se manifeste par la formation de couches d’eau sur la surface des pores du matériau. Elle répond à un processus de fixation de l’humidité. Ce phénomène est lié aux forces de Van der Waals agissant entre les molécules d’eau en phase gazeuse et la surface développée du matériau. En fonction de l’humidité relative, il se produit une adsorption mono-moléculaire, pluri-moléculaire et condensation capillaire. Ce phénomène sera détaillé dans le chapitre 6.5.1.

2.2.9.2 Capillarité

Quand les diamètres des pores sont faibles, l’eau se condense. Les couches pluri-moléculaires tendent à saturer rapidement le volume du pore pour se transformer en eau capillaire. Celle-ci se trouve retenue dans les pores par des forces capillaires. Dans un pore cylindrique, la relation entre la pression capillaire et la tension superficielle est donnée par la loi de la place : p l a c r P P P _{= − =} 2

ρ

θ

Avec, P : la pression capillaire ;c P : la pression de l’air ;a P : la pression de la phase l

liquide ;

_σ

La pression capillaire est inversement proportionnelle au rayon du pore. La relation entre la tension superficielle et la pression de vapeur s’exerçant sur l’interface vapeur- liquide a été établie par Kelvin :

        = = RT r M P P H l p v vs vap r . . cos . 2 exp

ρ

θ

σ

Avec P_vap : la pression de vapeur ; P : la pression de vapeur saturante ;_vs M : la masse _v

molaire de l’eau (0,018 kg/mol) ;

ρ

constante universelle des gaz parfaits ; T : la température absolue (°K) ; H_r : humidité

relative (sans dimension). Dans les pores la pression de vapeur est inversement proportionnelle au rayon des pores.

2.2.9.3 Imbibition

Pour des essais d’imbibition, la pression capillaire peut également être exprimée en mètre de colonne d’eau et représente alors la succionψ .

g P l c

ρ

ψ

En reprenant l’équation (2.10), la relation (2.11) s’écrit aussi:

) ln( . r v H g M T R = ψ (2.12)

La succion dépend de la pression de vapeur dans le matériau, c'est-à-dire de l’humidité relative de l’air au sein du matériau.

Chapitre 3 . Propriétés de transferts dans

les matériaux poreux

Introduction

Les pierres de construction sont des matériaux poreux. Ils sont très sensibles à l’eau. Du fais de conditions thermique et hygrométrique ambiantes variables, ils sont le siège de plusieurs phénomènes : migration de vapeur d’eau, changement de phase, humidification et séchage. Le couplage de tous ces phénomènes conditionne ses propriétés d’usage et sa durabilité. Dans ce chapitre on présente une description bibliographique, qui s’articule autour des propriétés physiques, mécaniques, hydriques et thermique. Une analyse théorique des mécanismes de transfert d’eau et d’humidité au sein des milieux poreux a été présentée. En effet, les lois physiques fondamentales décrivant la migration de vapeur et /ou d’eau liquide, ainsi que les coefficients de transferts (conductivité thermique, conductivité électrique) sont rappelées.

3.1 Lois phénoménologiques

3.1.1 Notion sur les phénomènes de percolation

On appelle percolation, la circulation d’un fluide à travers un réseau poreux sous l’effet d’un gradient de pression. Le concept mathématique de percolation a été formulé par M. Hammersley en 1957, qui cherchait à décrire le passage d’un fluide à travers un milieu poreux. Selon katz et Thompson (1987), ce modèle reconstruit un chemin continu qui traverse un échantillon et qui permet le passage d’un fluide. Ces auteurs définissent une grandeur caractéristique, le seuil de percolation à partir duquel le chemin continu existe. Ce seuil correspond à un certain volume poreux et à certains paramètres géométriques du réseau tels qu’un diamètre d’accès caractéristique et la dispersion des diamètres d’accès du réseau autour de ce seuil. Donc, le seuil de percolation est défini comme le diamètre d'accès correspondant au point d'inflexion de la courbe d'intrusion de mercure. Il est considéré comme le diamètre à partir duquel le mercure forme un réseau continu au travers de l’échantillon d’après Katz et Thompson (1986).

Dans l’altération des pierres mise en œuvre, la vitesse de circulation des eaux est un facteur important. D’où l’importance de la vitesse de percolation de l’eau, à travers l’espace en cours de la dégradation. Cette vitesse est fonction des gradients de pression de saturation.

3.1.2 Loi de Darcy

Darcy (1856) a proposé la première relation empirique entre le flux macroscopique et le gradient de charge, à partir d’expériences monodimensionnelles sur une colonne verticale de sable homogène calibré à un débit d'eau et de mesurer la différence de pression entre le

haut et le bas de la colonne. Ces expériences ont permis d’établir la relation de proportionnalité entre le débit Q traversant une section S de milieu poreux et la différence de charge h_{∆ appliquée :}

L h KS

Q₌₋ ∆ (3.1)

Avec K : la conductivité hydraulique du milieu ; L : la longueur de l’échantillon ; cette équation a été généralisée pour caractériser les écoulements tridimensionnels. On peut définir une vitesse de Darcy ou une vitesse de filtration :

S Q

U = (3.2)

Il s'agit d'une vitesse théorique : la vitesse moyenne du fluide traversant la surface S. L’équation (3.2) permet également de définir une vitesse moyenne de pore, sous l'hypothèse que la porosité de surface est égale à la porosité (N) :

N U

u = (3.3) La loi empirique de Darcy peut être exprimée sous forme locale :

) ( .grad h K

U ₌₋ (3.4)

Cette relation peut être étendue aux milieux anisotropes en remplaçant K par le tenseur de perméabilité.Le coefficient de proportionnalité K est appelé conductivité hydraulique du milieu. Il dépend de la nature du milieu poreux (porosité, forme et taille des pores……..), mais aussi du fluide. Pour éliminer cette seconde dépendance, une perméabilité intrinsèque peut être définie, telle que :

(

)

_ρ

µ

Avec µ est la viscosité dynamique du fluide. Dans le cas où ρ varie peu, la relation entre la conductivité hydraulique et la perméabilité intrinsèque s'écrit donc :

µ

ρ

g

k

K =

Il existe cependant des limitations à cette loi, en particulier pour les fortes vitesses, pour les très faibles perméabilités ou en cas d'interaction électrostatique entre les ions du fluide et les parois du solide (De Marsily 1981 ; David 1991).

3.1.3 Limites de la loi de Darcy

Cette loi peut être appliquée à tous les cas d’écoulement visqueux si l’on respecte certaines conditions :

- la résistance à l’écoulement doit être due uniquement à la force de viscosité (forces d’inerties négligeables) ;

- le fluide d’infiltration doit être inerte vis-à-vis du milieu poreux, c'est-à-dire qu’il ne doit y avoir aucune interaction chimique ou physique entre le fluide et le matériau.

3.2 Transfert d’eau en phase liquide

3.2.1 Rappels théoriques sur les phénomènes de capillarité

A l’aide des concepts de base de la mécanique des fluides établis pour des tubes capillaires, il est possible de dégager et de développer certaines propriétés de transfert par capillarité, et de quantifier la cinétique d’ascension d’eau dans les pierres des monuments ou les roches.

3.2.1.1 La tension de surface

Lorsque deux fluides non miscible (eau /air), sont en contact, ils sont séparés par une interface qui se comporte comme un film tendu de manière uniforme entre eux. La tension appliquée sur l’interface est généralement appelée tension du surface ou tension interfaciale.

En effet, une molécule d’eau au sein du liquide, est soumise aux forces de cohésion (type Van der Waals) identiques dans toutes les directions (figure 3.1). Par contre une molécule d’eau située à l’interface, sera attirée plus fortement vers la phase la plus dense (eau) que vers la phase gazeuse (air). Il en résulte que les molécules de l’interface ont tendance à se contracter vers le liquide créant une tension sur la surface, la couche superficielle du liquide est soumise à une force qui tend à réduire cette surface.

Figure 3.1 : Représentation schématique de l'action des forces de cohésion qui s'exercent sur les molécules dans un liquide.

D’un point de vue énergétique la tension de surface correspond au travail qu’il faut fournir pour augmenter sa surface. Elle peut s’exprimer comme la dérivée de l’énergie libre de Helmoltz (F) par rapport à la surface S pour une température T, un volume V et un nombre de moles n constants (Morrow 1970).

n V T S F , ,       ∂ ∂ =

σ

σ

Pour l’eau à 20°C, la tension superficielle est de 72,7.10-3 N/m, elle diminue lorsque la température augmente. La présence de substances solubles modifie également la tension superficielle de l’eau (Hillel 1971). Nous illustrons dans le tableau 3.1 les valeurs des tensions superficielles de plusieurs liquides à une température de 20° en dynes/cm.

Eau _acétique Acide Acétone Benzène Ethanol Mercure silicone Tension

de surface à 20°C

72 .7 27.6 23.7 28.9 22.3 480 20

Tableau 3.1 : Tensions superficielles de certains liquides à 20°C

3.2.1.2 L’angle de contact et mouillabilité

Dans un matériau poreux (pierre, roche…) non saturé, trois phases non miscibles sont présentes : solide, liquide, gaz. Il existe donc trois interfaces au niveau desquelles se