MAP4D — Caractérisations multiphysiques et modélisations multi-échelles pour évaluer les processus d’endommagement des matériaux poreux du patrimoine bâti dus aux sels
Programme : 2020-2023
Financé par la Fondation des Sciences du Patrimoine
CICRP : Philippe Bromblet
Partenariats : Géosciences et Environnement Cergy (Cergy université), Laboratoire de Mécanique et Matériaux du Génie Civil (L2MGC)
L’altération par les sels solubles est considérée comme un des phénomènes majeurs de dégradation du patrimoine bâti à travers le monde.
MAP4D vise d’une part, à améliorer les connaissances des micro-mécanismes d’endommagement au sein des matériaux poreux du patrimoine bâti, et d’autre part, à développer des modèles prédictifs des impacts des sels sur les propriétés de durabilité des matériaux en fonction des conditions environnementales et des propriétés propres des sels et des milieux poreux en question. La méthodologie est multi-échelle et combine des caractérisations et des mesures 2D et 3D in situ durant les processus d’altération ainsi que des modélisations numériques 3D permettant d’interpréter les résultats à différentes échelles. Le CICRP apporte son expertise sur la connaissance des matériaux du patrimoine et sur l’analyse des phénomènes de dégradation liés à l‘action des sels solubles dans le patrimoine bâti.
En 2021, une première année de thèse de Clément Mathieu (L2MGC) a été consacrée à la mise en place des expérimentations : analyse MEB, microRaman, AFM et modélisation sur calcaire oolithique sain et contaminé par un sel soluble (halite, thénardite).
En 2022, le travail de Clément Mathieu s’est focalisé sur la mise en place de cycles d’imbibition et de cristallisation/dissolution de sels solubles (sulfates de sodium) dans la porosité de deux types de pierre calcaire (calcaire oolithique et calcaire coquillier). La caractérisation par micro-indentation (AFM) et par microRaman des phases minérales permet de suivre l’évolution des propriétés mécaniques des minéraux constitutifs au fur et à mesure des cycles de cristallisation/dissolution des sels. Une première approche de modélisation numérique est utilisée pour générer une distribution des modules d’Young comparable à celle déduite expérimentalement des mesures AFM, à l’échelle des assemblages minéraux autour d’un pore.
En 2023, Clément Mathieu a terminé d’exploiter ses dernières expérimentations de cyclage par imprégnation et évaporation d’une saumure de sulfate de sodium dans les deux calcaires coquillier et oolithique. A l’échelle microscopique, les expériences de nanoindentation élastique sous AFM corrélées à la spectrocopie Raman mettent en évidence une altération complexe qui est caractérisée par la modification des propriétés physiques des échantillons (module d’Young, dureté, coefficient de Poisson) et par une évolution des compositions chimiques indiquant la cristallisation de sulfates mais aussi la dissolution localisée de la calcite. Les résultats expérimentaux ont été couplés à des modèles numériques basés sur l’expansion multi-échelle d’un milieu microscopique afin de prédire le comportement mécanique des échantillons à l’échelle mésoscopique. Clément Mathieu a entrepris de rédiger une première version de son manuscrit de thèse. La rédaction est largement entamée et un manuscrit devrait être déposé au premier trimestre 2024 pour une soutenance prévue avant la fin du premier semestre 2024. Une communication a été faite par Clément Mathieu au colloque CRYSPOM qui s’est tenu à Gand (Belgique) en juin. Un poster a été présenté à l’EGU (European geosciences union) à Vienne (Autriche).
