Tomographie à rayons-X pour caractériser l'altération par cristallisation des sels dans des milieux poreux multicouches - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2023

X-ray tomography for in-situ characterization of salt weathering in layered porous media

Tomographie à rayons-X pour caractériser l'altération par cristallisation des sels dans des milieux poreux multicouches

Résumé

In this thesis, we addressed a common issue in both the durability of building materials and cultural heritage preservation: crystallization damage resulting from the interplay of salts, environmental changes, and material properties. While numerous studies have examined single porous materials, built structures as well as culturally valuable artefacts often consist of multilayered assemblies. We focused on studying salt crystallization in two types of multilayered porous materials and investigated the effects of both the salt type and the material properties. The first object of study were antique Dutch ceramic tiles, which consist of a glaze layer and a clay body. The second object of study were model porous media made of consolidated glass beads that consist of a hydrophobic and a hydrophilic part, mimicking a two-layered system with different wettability that is often encountered in the conservation field. Sodium sulfate and sodium chloride were selected as the salts of interest. Using X-ray micro-computed tomography, we obtained both qualitative and quantitative data in a non-invasive manner on the drying kinetics and salt accumulation patterns for both porous media, as well as on damage for the case of the Dutch tiles. Finally, a pore network extraction method was merged with the image analysis workflow for the model porous media, enabling a detailed analysis of drying and salt accumulation at the pore scale. The behavior of sodium chloride and sodium sulfate in terms of accumulation patterns and their effects on drying in the two studied cases were defined. We observed distinctive characteristics of efflorescence and their impact on the drying kinetics. In the case of the tiles, sodium chloride efflorescence was found to be stiff and significantly slowed down the drying process, whereas sodium sulfate efflorescence exhibited a fluffy nature and did not impact the tiles' drying. On the other hand, when studying the model porous media, sodium chloride efflorescence, like in the tiles, was stiff, but induced here a pumping effect that accelerated the drying rate when wet and resulted in a reduction in the drying rate when dry. In the case of sodium sulfate, its efflorescence was fluffy and led to a reduction in the drying rate. We additionally observed that the accumulation patterns differed. In the case of the tiles, sodium chloride formed small patches distributed across the clay body, while sodium sulfate accumulated in large clusters at the interface between the glaze and the clay body. Notably, both salts resulted in macroscopic damage in tiles with intact glazes after several weathering cycles. In the case of the model porous media, both salts exhibited subflorescence concentrated at the interface between the hydrophobic and hydrophilic regions, with sodium chloride showing salt creeping into the hydrophobic part by the end of the drying process, and sodium sulfate displaying some accumulation in the hydrophilic part, apart from the interface. The results of this thesis represent a valuable contribution to the existing literature. We observed how the type of salt affects accumulation patterns and drying behavior, as well as its response to changes in the wettability of porous materials. The use of X-ray tomography provided 3D information regarding the spatial distribution through time of sodium chloride and sodium sulfate, as well as, for the model porous media, the distribution of brine at the pore scale level. These findings offer important insights for conservators seeking to develop more efficient conservation methods to mitigate salt crystallization damage in building materials and artefacts.
Dans cette thèse, nous avons abordé un problème courant lié à la durabilité des matériaux de construction et à la préservation du patrimoine culturel : les dommages causés par la cristallisation des sels, en raison de l'interaction entre les sels, les changements environnementaux et les propriétés des matériaux. Alors que de nombreuses études ont examiné des matériaux poreux monocouche, les structures construites ainsi que les objets culturellement précieux sont souvent constitués d'assemblages multicouches. Notre étude s'est principalement concentrée sur la cristallisation des sels dans deux types de matériaux poreux multicouches, en examinant l'impact du type de sel et des propriétés des matériaux. Le premier objet d'étude était les carreaux en céramique hollandaise anciens, composés d'une couche de glaçure et d'un corps en argile. Le deuxième objet d'étude était de milieux poreux modèles fabriqués à partir de billes de verre consolidées, constitués d'une partie hydrophobe et d'une partie hydrophile, imitant un système à deux couches avec une mouillabilité différente, couramment rencontré dans le domaine de la conservation. Nous avons choisi le sulfate de sodium et le chlorure de sodium comme sels d'intérêt. En utilisant la microtomographie à rayons X, nous avons obtenu des données qualitatives et quantitatives de manière non invasive, ce qui nous a permis d'analyser la cinétique de séchage, les schémas d'accumulation de sel et les dommages. Nos résultats ont révélé des différences significatives entre le chlorure de sodium et le sulfate de sodium en termes d'efflorescence et de leur impact sur le séchage. Dans le cas des carreaux hollandais, l'efflorescence de chlorure de sodium s'est révélée rigide, ralentissant considérablement le processus de séchage, tandis que l'efflorescence de sulfate de sodium avait une nature plus légère et n'a pas affecté le séchage. En revanche, lors de l'étude des milieux poreux modèles, l'efflorescence de chlorure de sodium, similaire à celle des carreaux, était rigide, mais a provoqué un effet de pompage, accélérant le taux de séchage lorsqu'il était humide et réduisant le taux de séchage lorsqu'il était sec. Les motifs d'accumulation de sel ont également varié entre les deux sels dans les deux cas, avec de petites taches pour le chlorure de sodium dans les carreaux et de grands amas à l'interface de la glaçure et du corps en argile pour le sulfate de sodium. À noter que les deux sels ont provoqué des dommages macroscopiques sur les carreaux hollandais après plusieurs cycles d'altération par cristallisation. Dans le cas des milieux poreux modèles, les deux sels ont présenté une subflorescence concentrée à l'interface entre les zones hydrophobes et hydrophiles, avec le chlorure de sodium montrant une pénétration de sel dans la partie hydrophobe à la fin du processus de séchage, et le sulfate de sodium présentant une certaine accumulation dans la partie hydrophile, en dehors de l'interface. Les résultats de cette thèse sont une contribution précieuse à la littérature existante, offrant des informations essentielles aux conservateurs cherchant à développer des méthodes de conservation plus efficaces pour atténuer les dommages dus à la cristallisation des sels dans les matériaux de construction et les objets culturels.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04711867 , version 1 (27-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04711867 , version 1

Citer

Tinhinane Chekai Attia. Tomographie à rayons-X pour caractériser l'altération par cristallisation des sels dans des milieux poreux multicouches. Génie civil. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2023. Français. ⟨NNT : 2023PAUU3079⟩. ⟨tel-04711867⟩

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