Growth and dissolution mechanism of loaded KCl crystals: Involvement in the knowledge on stones degradation by salt
Mécanisme de croissance et dissolution de cristaux de KCl sous charge : Apport dans la connaissance des mécanismes d'altération des pierres par les sels
Résumé
Rock alteration by salt crystallization is known since a long time ago. However, there are still controversies about the induced mechanism. This kind of alteration is considered the most important factor in historical monuments degradation. Currently, we ascribe the degradation to the capacity of salt to develop crystallization pressure. The crystallization pressure could reach several megapascal; exceeding stones mechanical resistance. This crystallization pressure concept arises from experimental studies carried out between the end of XIXth century and the middle of XXth but there are discrepancies between these notions and current theories about crystal growth. The goal of this study is to reproduce Corren and Taber's experiments under controlled experimental conditions. This work shows that, under supersaturated conditions, whatever the load, a KCl monocrystal grows along the unloaded directions and adopts a trapezoid-like shape with truncated edges. This is due to the heterogeneous constraint distribution and a vertical concentration gradient. Along the loaded direction, the crystal dissolves more or less according to the imposed load. The dissolution is not linear and presents two regimes. The first one is rapid and no linear, where the dissolution rate is a function of the contact surface between the load and the loaded face; the second one is slower and linear, where the dissolution rate is a function of the supersaturation of the solution. In no case, the monocrystal develops crystallization pressure. It seems unlikely that a crystal like KCl could damage stone by means of crystallization pressure.
L'altération des pierres par les sels est un phénomène connu depuis l'antiquité. En revanche, le ou les mécanismes mis en jeu. Ce type d'altération est aujourd'hui considéré comme la principale cause de dégradation des monuments historiques. Actuellement, on attribue la dégradation à la capacité de ces phases minérales à développer une pression de cristallisation. Cette pression pourrait atteindre plusieurs mégapascals et dépasser la résistance mécanique des pierres. Ce concept de pression de cristallisation est né d'études expérimentales réalisées entre la fin de XIXème et le milieu du XXème siècle mais ces notions se concilient difficilement avec les principes de la croissance cristalline tels qu'ils sont connus actuellement. Cette étude a pour but de reproduire les expériences anciennes avec des monocristaux de KCl en contrôlant rigoureusement les paramètres environnementaux. Ce travail montre que, dans les conditions de sursaturation et de croissance, quelque soit la charge imposée, le cristal croit dans les directions non contraintes et adopte à la fin des expériences un faciès trapézoïdal à base tronquée. Ceci est dû à un gradient vertical de concentration et à une répartition non homogène de la contrainte au sein du cristal. Dans la direction de la contrainte le cristal se dissout plus ou moins selon la charge imposée. Cette dissolution n'est pas linéaire et présente deux régimes ; le premier, rapide et non linéaire est fonction de la surface de contact cristal/charge, le second plus lent et quasiment linéaire est fonction de la sursaturation de la solution. En aucun cas, le monocristal de KCl ne développe de pression de cristallisation. Il semble improbable qu'un cristal du type KCl puisse dégrader une pierre en exerçant par pression de cristallisation.
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