Rôle des propriétés hydromécaniques dans la dégradation des pierres de construction
Programme : 2020
CICRP : Philippe Bromblet, Jérémie Berthonneau, Nathalie Gandolfo
Partenariats : Laboratoire d’Acoustique et de Mécanique (LMA, CNRS, Marseille), Bureau d’études structures Stono (Marseille), Centre Interdisciplinaire de Nanosciences de Marseille (CINaM)
Les variations des propriétés mécaniques des pierres en fonction de la température et de la teneur en eau jouent un rôle décisif dans leur dégradation. Ce programme de recherche vise donc à développer une méthode de mesure non destructive du comportement mécanique de différents types de pierres soumises à des variations thermo-hydriques afin de pouvoir comprendre et prédire les mécanismes à l’œuvre. Pour cela, un banc de spectroscopie ultrasonore à résonance non-linéaire (NRUS) a été mis en place au CICRP en collaboration avec Cédric Payan du Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique d’Aix-Marseille Université (LMA – UMR 7031).
En 2020, des mesures de non-linéarité ont été réalisées aux cours d’expérimentations menées sur diverses pierres : molasses, marbre blanc et molasses argileuses (cyclage imbibition séchage, cuisson, cyclage hygrométrique). Plusieurs phénomènes ont pu être mis en évidence dont la compréhension nécessitera des recherches plus approfondies. Un stage de master 1 (Maxime Descamps) et le stage de césure d’une étudiante de l’École Centrale de Marseille (Déborah Gachet) ont permis d’avancer sur le sujet malgré les difficultés engendrées par les épisodes de confinement successifs et ont donné lieu à deux mémoires étudiants.
Début 2021 un projet de thèse a été rédigé et proposé à l’École doctorale ED353 de l’université Aix-Marseille. Le sujet a, dans le même temps, été proposé à une candidate doctorante, Marie-Laure Chavazas (École des mines de Nancy). Le sujet « Caractérisation et imagerie acoustiques des dégradations des pierres pour la conservation des patrimoines bâtis et statuaires » a été sélectionné et financé pour trois ans (encadrement LMA Cédric Payan, co-encadrement CICRP Philippe Bromblet). La doctorante a démarré sa thèse le 1er octobre 2021 et conduit les premières expérimentations au CICRP.
En 2022, Marie-Laure Chavazas a validé le bon fonctionnement du banc de résonance acoustique mis en place au CICRP avec récepteur laser et a réalisé des séries de mesures acoustiques non linéaires NRUS sur des éprouvettes de marbre de Carrare cuits à différentes températures et sur des éprouvettes de marbre placées dans des atmosphères à différentes humidités relatives (12 à 95%). Plusieurs paramètres déduits des mesures acoustiques (fréquence de résonance, indice de qualité du signal et facteur de non-linéarité) permettent de suivre l’évolution des paramètres d’élasticité et de non-linéarité du marbre selon la température et l’humidité. Quelques premières techniques d’observation (microtomographie X, pétrographie, MEB…) ont été testées pour étudier les modifications microstructurales induites. Des cyclages thermiques basses températures (< 100°c) ont été lancés en fin d’année et des mesures NRUS sont faites régulièrement pour suivre le comportement du marbre et sa dégradation en fonction des températures et du nombre de cycles thermiques imposés. La doctorante a fait deux communications scientifiques lors du congrès français d’acoustique (Marseille) et du congrès InArt (Paris).
En 2023, Marie-Laure Chavazas a poursuivi ses investigations concernant le suivi non-destructif du comportement d’éprouvettes de marbre au cours d’un cyclage thermo-hydrique prolongé dans une enceinte de vieillissement climatique accéléré. L’évolution de la porosité et de la distribution des tailles de pore du marbre en fonction de la température de cuisson a été étudiée par porométrie Hg et des isothermes d’adsorption ont été réalisés pour compléter la caractérisation du comportement hydrique du marbre. Ces données sont en cours de corrélation avec les mesures NRUS. Une publication sur le suivi de l’altération thermique du marbre par NRUS a été soumise à la revue Bulletin of Engineering Geology and the Environment et la première version d’un second article portant sur le suivi par NRUS de l’impact des variations de l’humidité sur les propriétés mécaniques du marbre a été rédigée. Un poster a été présenté lors de la journée de l’École Doctorale 353. Par ailleurs, les premières expérimentations de tomographie acoustique ont été réalisées sur un autel antique fracturé exposé au musée départemental Arles antique. L’exploitation des données acquises est en cours tandis que l’acquisition d’un modèle 3D sur une statue en marbre du musée d’histoire de Marseille a été effectuée en vue d’un prochain essai plus complexe. A la demande de la Ville de Marseille, une auscultation par ultrasons a aussi été réalisée sur la statue de David (rond-point du Prado) pour évaluer son état de fissuration.
