Le rôle des minéraux argileux dans la dégradation de la pierre : application à la conservation de la "Pierre du Midi" en termes de durabilité et compatibilité des matériaux en oeuvre
Résumé
Most of the Provence built heritage was erected using a material commonly named " Pierre du Midi ". The exposure of these limestones to natural weathering leads to specific deterioration patterns. Among these, spalling tends to develop in areas apart from capillary rise as well as free from soluble salts, air pollution or biological colonization. The origin of this phenomenon remains uncertain. However, it seems induced by the intrinsic properties of the material and its behavior with respect to water content variations. The present study was aimed to understand the mechanisms and specifically to establish the role played by the clay minerals. From the informations collected in the field, a wide variability of spalling degree has been highlighted on historical buildings of equivalent construction periods. This variability is to be linked with the type of "Pierre du Midi" considered. A representative sampling of the different limestones types has thus been realized. A conventional study on the petrographic characteristics and the mineralogical composition has first been conducted. Then, the clay minerals assemblage of each sample has been defined thanks to an adapted methodological approach combining TEM-EDX characterization to XRD profile modeling. This method allowed determining both the nature and the quantity of each clay mineral phase. Beneficiating from the results, the link between the expansive layers quantity and the spalling degree has been evidenced. The storage and transport properties of the different types of limestones were also defined. Moreover, the macroscopic behavior upon water content variation was assessed through dilation and compressive strength experiences. All of these properties highlight the heterogeneity of the studied material. The durability index calculated from these results fail however to predict the spalling degree. A statistical analysis of the experimental data was thus necessary to understand the relative influence of each parameter. The reading of the results suggests that the mechanism leading to spalling decay is triggered by the interaction between the expansive clay mineral layers and the water molecules. The hydromechanic behavior of the stone constitutes the macroscopic symptom of this interaction. This behavior is highly controlled by the fluid storage and transport properties that condition the macroscopic transmission of the deformation created by the swelling occurring at the nanoscopic scale.
De par l'étendue de leur répartition géographique et la facilité de leur extraction, les molasses d'âge miocène du bassin rhodanien ont été largement exploitées par l'homme comme pierre de construction depuis le début de l'ère chrétienne. Le patrimoine bâti provençal érigé à l'aide de ce matériau, connu sous le nom de " Pierre du Midi ", et exposé aux intempéries depuis plus de cinq cents ans présente cependant un certain nombre de morphologies de dégradations. Parmi ces dégradations, la desquamation en plaques a la particularité de se développer en dehors des zones de remontées capillaires ainsi qu'en l'absence de sels solubles, de sollicitation mécanique, de pollution atmosphérique ou de colonisation biologique. Ce phénomène est donc induit par les propriétés intrinsèques du matériau et son comportement vis-à-vis des conditions environnementales. L'objectif de ce travail de recherche est d'établir le rôle joué par les minéraux argileux dans ce phénomène de dégradation spécifique. Une étude de terrain a pu mettre en exergue que le degré de desquamation en plaques observable sur des monuments de périodes de construction équivalentes est variable suivant l'origine des assises. A l'issue de cette reconnaissance, neuf échantillons représentatifs de la variabilité du degré de desquamation en plaques ont été prélevés en carrières. Une étude conventionnelle sur les caractéristiques pétrographiques et la composition minéralogique de ces types de " Pierre du Midi " a tout d'abord été conduite. Par la suite, une définition précise du cortège de minéraux argileux a été menée par le biais d'une approche méthodologique originale. Cette dernière combine la caractérisation cristallochimique au MET-EDS à la simulation des raies 00ℓ de diffraction des rayons X. Cette méthode a permis de déterminer les quantités de chacune des phases de phyllosilicate composant les différents cortèges. Le lien entre la quantité de feuillets de phyllosilicates expansifs et le degré de desquamation en plaques a pu, de ce fait, être mis en évidence. Après avoir déterminé les propriétés de stockage et de transfert des fluides des différents types de pierre, leur comportement hydromécanique a été évalué. L'ensemble de ces propriétés pétrophysiques a permis de mettre en relief la forte hétérogénéité du matériau à l'étude. Les indices de durabilité calculés à partir de ces résultats manquent cependant de pertinence quant à la prédiction du phénomène de desquamation en plaques. Après une analyse statistique (ACP) des données expérimentales, la meilleure interprétation suggère que ce phénomène soit déclenché par l'interaction entre les feuillets de phyllosilicates expansifs et les molécules d'eau. Cette interaction se manifeste par le comportement hydromécanique des pierres qui entraîne leur dégradation. Ce dernier est largement contrôlé par les propriétés physiques de stockage et de transfert des fluides qui conditionnent l'accommodation des déformations au niveau macroscopique.