Influence de la microstructure et de la minéralogie sur l'endommagement mécanique des pierres du patrimoine bâti sous l'effet de conditions environnementales sévères - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Influence of microstructure and mineralogy on mechanical damage to built heritage stones under the effect of extreme environmental conditions

Influence de la microstructure et de la minéralogie sur l'endommagement mécanique des pierres du patrimoine bâti sous l'effet de conditions environnementales sévères

Résumé

This study focuses on the alteration of natural building stones used in historical monuments when exposed to extreme environmental conditions. The two severe thermal loads addressed during this thesis correspond to high temperatures (fire) and freeze-thaw cycles. The first part of this work concerns the study of the high temperature behaviour of various natural stones, used as building materials in the built heritage. Firstly, experimental measurements under high temperature allowed the identification of physico-chemical phenomena occurring during heating and cooling. Thus, the influence of mineralogy on the thermo-chemical stability of limestones and sandstone has been discussed. In addition, thermal deformation measurements up to 1050 °C have highlighted the role of certain petrophysical parameters on the mechanical behaviour of these stones at high temperatures. The evolution of thermal properties during heating has been determined. In addition, the evolution of residual properties (compressive strength, tensile strength, dynamic modulus of elasticity, total porosity, water capillary coefficient) of these stones after heating-cooling cycles up to 800 °C was experimentally determined. Microscopic observations, coupled with mercury porosimetry analyses, allowed the assessment of the porous network modification. The results of this study, obtained using different experimental methods, contribute to the diagnosis of stone-heritage structures that have suffered a fire. On the one hand, the consequences of the post-fire structural capacity have been established and, on the other hand, the consequences on its durability facing various environmental attacks have been analyzed. The second part deals with previous work already initiated by [Walbert, 2015] on the durability of limestones subjected to freeze-thaw cycles. Two stones have been integrated in order to extend the range of intrinsic properties and therefore study their influence on the weathering kinetics. A multi-scale methodology of observation and characterization of stone degradation is used to study the relative influence of mineralogical composition, microstructure and physico-mechanical properties on stone durability and damage kinetics. In order to generalize the results to all stones, the development of a predictive analytical model was particularly interesting. In this perspective, a model involving the initial intrinsic properties has been developed, and allows to estimate the kinetics and amplitude of alteration of building stones that have undergone freeze-thaw cycles. In addition, an experimental simulation of a masonry wall thickness, loaded unifacially with freeze-thaw cycles was conducted. The results obtained highlight the evolution of the temperature profile within the wall and provide a concrete understanding of the physical phenomena occurring in the stones of historical monuments facing weathering issues related to frost action.
Cette étude s’intéresse à l’altération des pierres de construction utilisées dans les monuments historiques lorsque celles-ci sont exposées à des conditions environnementales extrêmes. Les deux sollicitations sévères abordées durant cette thèse correspondent aux hautes températures (situation incendie) et aux cycles de gel-dégel. La première partie de ces travaux concerne l’étude du comportement à hautes températures de diverses pierres naturelles. Tout d’abord, des mesures expérimentales à chaud ont permis l’identification des mécanismes élémentaires au cours du chauffage et refroidissement. Ainsi, l’influence de la minéralogie sur la stabilité thermo-chimique de pierres calcaires et siliceuse a été avancée. De plus, des mesures de déformation thermique jusqu’à 1050 °C ont mis en avant le rôle de certains paramètres pétrophysiques sur le comportement mécanique de ces pierres à hautes températures. L’évolution des propriétés thermiques au cours du chauffage a été déterminée. Par ailleurs, l’évolution des propriétés résiduelles (résistance en compression, résistance en traction, module d’élasticité dynamique, porosité totale, coefficient de capillarité) après des cycles de chauffage-refroidissement jusqu’à 800 °C a été déterminée expérimentalement. Des observations microscopiques, couplées à des analyses de porosimétrie au mercure ont permis d’évaluer la modification du réseau poreux. Les résultats de cette étude contribuent au diagnostic des ouvrages et biens patrimoniaux en pierre ayant subi un incendie. Il s’agit d’une part de pouvoir évaluer les conséquences de l’incendie sur la tenue structurelle de l’ouvrage et d’autre part de déterminer les conséquences sur sa durabilité face aux différentes agressions environnementales. La seconde partie correspond à poursuivre les travaux déjà initiés par [Walbert, 2015] sur l’endommagement par gel-dégel des pierres de construction. De nouvelles pierres d’études ont été intégrées afin d’étendre la gamme des propriétés intrinsèques des matériaux et d’étudier leur influence sur la cinétique d’altération par gel-dégel. La méthodologie multi-échelle d’observation et de caractérisation de la dégradation des pierres, a permis de mettre en avant le caractère prépondérant de certains paramètres intrinsèques sur la cinétique d’altération. Afin de pouvoir généraliser les résultats à l’ensemble des pierres, le développement d’un modèle analytique prédictif s’est avéré particulièrement intéressant. Ainsi, un modèle prenant en compte les propriétés intrinsèques initiales, a été développé, et permet d’estimer la cinétique et l’amplitude d’altération de pierres ayant subi des cycles de gel-dégel. De plus, une partie visant à simuler le cas réel d’une épaisseur de maçonnerie sollicitée de façon unifaciale à des cycles de gel-dégel a été menée. Les résultats obtenus mettent en avant l’évolution du profil de température au sein de la paroi et permettent d’appréhender de façon concrète les phénomènes physiques se déroulant dans les pierres des monuments historiques confrontées à des problèmes d’altération liée au gel-dégel.
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Manuscrit de thèse - Martin VIGROUX.pdf (78.28 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-02983203 , version 1 (29-10-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02983203 , version 1

Citer

Martin Vigroux. Influence de la microstructure et de la minéralogie sur l'endommagement mécanique des pierres du patrimoine bâti sous l'effet de conditions environnementales sévères. Génie civil. Université de Cergy-Pontoise, 2020. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02983203⟩
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