Study of water properties and mechanisms of deterioration for limestones with high porosity.
Étude des propriétés hydriques et des mécanismes
d'altération de pierres calcaires à forte porosité.
Résumé
The main objective of this work is the study, by a multi-scales approach, of the behaviour of building stones
of monuments with respect to deterioration. To this end, two building limestones, of which a few main
characteristics are very close (total porosity, mechanical resistance), are studied: white tuffeau, which is
largely employed in constructions of castles of the Loire Valley, and Sébastopol stone, used in Paris area.
First of all, an observation of the various types of in-situ weathering and a case study on a naturally
deteriorated stone were carried out in order to note the various morphologies of deterioration and to identify
water like the agent vector of the phenomena of deterioration.
In the second time, a multi-scales characterization was carried out in order to observe the fresh stones from
the point of view of their mineralogical constitution, the morphology of their porous media and especially of
their water properties (water retention capacity, properties of transfer of water in liquid form and vapour
form) but also of their hydro-mechanical behaviour.
The last part is devoted to the durability of the building stones with the study of compatibility between
stones used in restoration. Indeed, behaviours of the stones during an artificial ageing test are compared.
The different reaction of the two stones in relation with this same process of deterioration is to be linked to
their very dissimilar water properties. At last, a formulation and a hydro-mechanical characterization of
joints of mortar are proposed in order to determine the criteria of compatibility between the mortar and the
stones.
of monuments with respect to deterioration. To this end, two building limestones, of which a few main
characteristics are very close (total porosity, mechanical resistance), are studied: white tuffeau, which is
largely employed in constructions of castles of the Loire Valley, and Sébastopol stone, used in Paris area.
First of all, an observation of the various types of in-situ weathering and a case study on a naturally
deteriorated stone were carried out in order to note the various morphologies of deterioration and to identify
water like the agent vector of the phenomena of deterioration.
In the second time, a multi-scales characterization was carried out in order to observe the fresh stones from
the point of view of their mineralogical constitution, the morphology of their porous media and especially of
their water properties (water retention capacity, properties of transfer of water in liquid form and vapour
form) but also of their hydro-mechanical behaviour.
The last part is devoted to the durability of the building stones with the study of compatibility between
stones used in restoration. Indeed, behaviours of the stones during an artificial ageing test are compared.
The different reaction of the two stones in relation with this same process of deterioration is to be linked to
their very dissimilar water properties. At last, a formulation and a hydro-mechanical characterization of
joints of mortar are proposed in order to determine the criteria of compatibility between the mortar and the
stones.
L'objectif principal de cette thèse concerne l'étude, par une approche multi-échelles, du comportement des
pierres de monuments vis-à-vis de l'altération. A cet effet, deux pierres de construction, dont certaines
caractéristiques principales sont assez semblables (porosité totale, résistance mécanique), sont étudiées : le
tuffeau blanc, qui est largement employé dans les constructions des châteaux du Val de Loire, et la pierre de
Sébastopol, utilisée en région parisienne.
Tout d'abord, une observation des différents types de dégradations rencontrées in-situ ainsi qu'une étude de
cas sur une pierre altérée naturellement ont été réalisées afin de constater les différentes morphologies
d'altération et d'identifier l'eau comme l'agent vecteur des phénomènes d'altération.
Dans un second temps, une caractérisation multi-échelles a été effectuée afin de bien connaître les pierres
non-altérées du point de vue de leur constitution minéralogique, de la morphologie de leur milieu poreux et
surtout de leurs propriétés hydriques (capacité de rétention d'eau, propriétés de transfert de l'eau sous forme
liquide et sous forme vapeur) mais aussi de leur comportement hydro-mécanique.
La dernière partie est consacrée à la durabilité des pierres mises en oeuvre avec l'étude de la compatibilité
entre les matériaux utilisées en restauration. En effet, le comportement des pierres durant un essai de
vieillissement artificiel est comparé. La réaction différente des deux pierres face à ce même processus
d'altération est à relier directement à leurs propriétés hydriques très dissemblables. En dernier lieu, une
formulation et une caractérisation hydro-mécanique de joints de mortier est proposée afin de déterminer les
critères de compatibilité entre le mortier et les pierres en oeuvre.
pierres de monuments vis-à-vis de l'altération. A cet effet, deux pierres de construction, dont certaines
caractéristiques principales sont assez semblables (porosité totale, résistance mécanique), sont étudiées : le
tuffeau blanc, qui est largement employé dans les constructions des châteaux du Val de Loire, et la pierre de
Sébastopol, utilisée en région parisienne.
Tout d'abord, une observation des différents types de dégradations rencontrées in-situ ainsi qu'une étude de
cas sur une pierre altérée naturellement ont été réalisées afin de constater les différentes morphologies
d'altération et d'identifier l'eau comme l'agent vecteur des phénomènes d'altération.
Dans un second temps, une caractérisation multi-échelles a été effectuée afin de bien connaître les pierres
non-altérées du point de vue de leur constitution minéralogique, de la morphologie de leur milieu poreux et
surtout de leurs propriétés hydriques (capacité de rétention d'eau, propriétés de transfert de l'eau sous forme
liquide et sous forme vapeur) mais aussi de leur comportement hydro-mécanique.
La dernière partie est consacrée à la durabilité des pierres mises en oeuvre avec l'étude de la compatibilité
entre les matériaux utilisées en restauration. En effet, le comportement des pierres durant un essai de
vieillissement artificiel est comparé. La réaction différente des deux pierres face à ce même processus
d'altération est à relier directement à leurs propriétés hydriques très dissemblables. En dernier lieu, une
formulation et une caractérisation hydro-mécanique de joints de mortier est proposée afin de déterminer les
critères de compatibilité entre le mortier et les pierres en oeuvre.