salts
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-
Jean-Didier Mertz
18me Journes Scientifiques de lEnvironnementCrteil, Htel du Dpartement
03 mai 2007
Salles Lavauguyon (87)Eglise Saint EutropePeintures murales du revers ouest
Altration des matriaux du patrimoine :
influence des contaminants et de la nature des substrats
-
Charte de Venise (1964)
Article 2 : La conservation et la restauration des monuments historiques constituent une discipline qui fait appel toutes les sciences et toutes les techniques qui peuvent contribuer ltude et la sauvegarde du patrimoine monumental .
Article 9 : La restauration [] a pour but de rvler les valeurs du monument et se fonde sur le respect de la substance ancienne [] .
compatibilit - rversibilit - durabilit
28000 objets ou monuments en pierre inscrits ou classs au titre des MH !
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Altration dorigine physico-chimique :ravinement et dissolution slective
Paris, Vase du Grand Palais (2005)
-
Apport de matire : encroutement noir gypseux
Arc triomphal IIme sicle Porte Noire de Besanon (25)
(dessin H. Walter)
-
Proprits superficielles des pierres en uvre revtues de crotes noires gypseuses
Crote noire1 mm
MOP (LN et LP+)
Ca
S
MEB
-0,050
0,050,1
0,150,2
0,250,3
0 20 40 60 80 100Humidit relative (%)
A
d
s
o
r
p
t
i
o
n
d
'
e
a
u
(
g
/
g
)
Encrotement seul
Audincourt + croteAudincourt
Calcaire dAudincourt
-
Cathdrale Notre-Dame de Strasbourg (67)Patine noire argilo-ferrugineuse
30 m
(Photo D. Jeannette, 1986MOP, LNP x50)
-
Altration physique par perte de matire : Desquamation
Cathdrale de Nantes (44) Contrefort nord en tuffeau
Cathdrale de Nevers (58)Calcaire crayeux dApremont
-
Dsagrgation sableuse par alvolisation : impact des sels
Eglise Notre Dame de Bon PortLes Sables dOlonne (85)
Dtail desalvoles
Chteau de Montsoreau (49)tuffeau blanc
Zone induremoins poreuse
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Affleurements grseux alvoliss(Fleckenstein, Vosges du Nord)
Sels en milieu naturel et sur les difices
Invalides, Paris, calcaire dur luttien remontes capillaires par les joints ? sel dj prsent dans la pierre ?
-
Principaux sels solubles rencontrs dans les pierres des monuments (~ 50 espces)
Sylvite KClHalite NaClAntarcticite CaCl2.6H2O
Nitronatrite NaNO3Niter KNO3Nitrocalcite Ca(NO3)2.4H2O
Kieserite / Epsomite MgSO4.(7)H2OArcanite K2SO4Gypsum CaSO4.2(H2O)Thenardite / Mirabilite Na2SO4 .(10H2O)
Calcite CaCO3Natron Na2CO3.10H2O Trona NaH(CO3)2.H2O
Thaumasite Ca3Si(CO3)(OH)6(SO4).12H2OEttringite K2Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O
Chlorures
Nitrates
Sulfates
Carbonates
Sels complexes
Cations :z calcium Ca++z magnesium Mg++z sodium Na+z potassium K+z ammonium NH4+
Anions :z sulfates SO4=z chlorures Cl-z carbonates CO3=z nitrates NO3-z oxalates C2O5=
-
TYPE DE SELS ORIGINES POSSIBLESSulfate de sodium (mirabilite,
thnardite)ciments, mortiers au ciment*, liants
hydrauliques, lessives, briques
Carbonate de sodium, de potassium ciments, mortiers au ciment, lessives,rsidus de nettoyage chimique
Chlorure de sodium (halite) eau de mer, embruns, sels dedverglaage, sel de salaison
Chlorure de potassium (sylvite) solSulfate de calcium (gypse, anhydrite,
bassanite)pltre, enduits, mortiers contenant dupltre, ciments, mortiers au ciment,
SO2 atmosphrique, embruns,activits bactriennes
Nitrate de sodium, de potassium sol, engrais, matires organiquesdcomposes, activits bactriennes
Sulfates de magnsium roches et mortiers riche en Mg soluble
Sels primaires
-
CaSO4.2H2O + Na2CO3.10H2O Na2SO4 + CaCO3 + 12H2Ogypse natron thnardite calcite
Origine secondaire
-
Principales proprits physico-chimiques des sels
Solubilit : quantit maximale de sel quil est possible de dissoudre = f (nature du sel, T, solvant)
Calcite
Magnsite
Hydromagnsite
NesquehoniteNatron
Kalicinite
gypse
ThnarditeMirabiliteArcanite
Epsomite
Nitre
NitronatriteNitromagnsiteNitrocalcite
SylviteHalite
BischofiteAntarcticite
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
Carbonates Sulfates Nitrates Chlorures
S
o
l
u
b
i
l
i
t
(
g
/
l
)
Trs soluble
Soluble
Peu soluble
-
Rpartition des sels lchelle d une maonnerie soumise des remontes capillaires
C: sels trs solubles (zone hygroscopique) : nitrate Ca, chlorure Na,K
B: sels solubles sulfate Na, nitrate K
A: sels peu solubles carbonate et sulfate Ca
(Arnold, 1979)
nitre
-
(daprs Arnold, 1991)Changement dtat une valeur donne dhumidit
HR air
masse
Adsorption
Dissolution
Point de dliquescence ou Humidit Relative dEquilibre HRE
HRE
Dans un systme ouvert (cas dun monument) : le comportement du sel est contrl par les paramtres
de latmosphre (temprature, humidit relative)
Ex: Maonnerie contamine par du NaCl HR air 75% : le sel fixe lhumidit de lair et sedissout, maonnerie daspect mouille.
-
Comportement des pierres contamines par des sels solubles
Sels Teneur (% massique)Chlorures 0.1Nitrates 0.5
Sulfates (autres que gypse) 0.1Sulfates (gypse) Plusieurs %
Teneurs limites admissibles en sels(Prconisations LRMH)
Ech. pollus 0.3% de NaClpuis consolids Wacker OH
Tmoins pollus 0.3% de NaCl non consolids
Observation aprs 1 an dexposition en conditions naturelles
-
Programme de recherche UE SCOST (1998-2001)Comportement des pierres pollues par les sels et les produits de traitements
0%
2.5%
5%
7.5%
Application de produit Imbibition par saumure Schage contrlq Evaluation des pertes de masse
non trait trait
-
Vue du chevet de labbatialede Bouzonville (57)
Etude du comportement diffrentiel de grs
-
Facis grseux et tat daltration
G
R
V
J
Origine des grs Desquamation contrle seulement par la contamination saline ? Influence de la microstructure sur leur rsistance laltration ?
-
Stratigraphie et nature desfacis rgionaux
2 km
200
230
225
215
Inf.
Moyen
Sup.
BuntsandsteinVoltzia
-
Slection des grs et procdure dchantillonnage
Contrefort sud-est
Minralogie et teneur en argile
PtrographiePHg et BET
Transfert deau liquide et vapeur
Dosages en sel etteneurs en eau
Litage30mm
-
Profils des teneurs en eau totale et en eau hygroscopique (HMC)
0
5
10
15
20
25
0-2 2-4 4-6Profondeur (cm)
T
e
n
e
u
r
e
n
e
a
u
h
y
g
r
o
s
c
o
p
i
q
u
e
(
%
)
H20 tot.(%) : quantit deau contenue lors du prlvementHMC (%) : quantit deau adsorbable HR air leve (97%)
0
1
2
3
4
5
0-2 2-4 4-6
T
e
n
e
u
r
e
n
e
a
u
t
o
t
a
l
e
(
%
)
T=15C,HR air=57%
Absence de remontes capillaires Diffrenciation des facis sains et altrs en fonction de leur teneur en eau Rpartition de leau relativement constante pour un facis donn Forte teneur HMC (x7) attribue la prsence de sels
-
Relation eau hygroscopique / teneur en ions solubles
02468
101214161820
0-2 2-4 4-600,20,40,60,811,21,41,6
Cl SO4 NO3 HMC
02468
101214161820
0-2 2-4 4-600,20,40,60,811,21,41,6
Cl SO4 NO3 HMC
Vert
02468
101214161820
0-2 2-4 4-600,20,40,60,811,21,41,6
Cl SO4 NO3 HMC
Gris
Jaune
02468
101214161820
0-2 2-4 4-600,20,40,60,811,21,41,6
Cl SO4 NO3 HMC
RougeH2O hygr (%) Anions (%)
Corrlation HMC et sels Teneurs en sulfate limites la surface et plus faibles pour les facis J et V altrs :
pollution saline exogne Teneurs en nitrate uniforme en fonction de la profondeur et fonction du facis :
pollution saline originelle/endogne
-
Comportement hygroscopique des grs Isothermes dadsorption de vapeur deau ( T=200.5C,disques d=30mm, p.=5mm)
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0 400 800 1200 1600 2000 2400Temps (h)
d
W
/
W
s
(
g
e
a
u
/
g
c
h
)
grsR
grsGgrsJ
grsV
33%53%
75%
85%
97%
Forte adsorption aprs 85% HR : nitre (salptre) HRqu.KNO3 (20C)=93% Conditions de condensation : loi de Kelvin r = f (HR)-1
-
Porosit accessible au mercure PHg Seuil de pore r (Dullien, 1979) Estimation de la surface spcifique
Paramtres microstructuraux : distribution des accs aux pores
Grs PHg (%) r (m) Ssp(m/g)
23.3 5.9 0.8627.2 9.6 0.7525.8 5.3 1.8828.5 5.2 2.11
RGJVseuil non significatif, grs ractifs
grs homognes, permables, seuil significatif
5
8
11
14
17
20
23
7 10 13 16 19 22 25 28 31Porosit totale (%)
P
o
r
o
s
i
t
4
8
h
(
%
)
JVGrs Voltzia
Voges du Nord (
-
Surface spcifique et analyse de la fraction fine par XRD
Porosimtrie Hg
10-8 10-1010-9m
38 A
argilesSorption B.E.T
(Brunauer, Emmett & Teller, 1938)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5Ssp (m/g) PHg
S
s
p
(
m
/
g
)
B
E
T
Corrensite(Mg,Al)9(Si,Al)8O20(OH)10.2H2O argile gonflante Chl-Sm (14 15.4A)
Jaune, Vert
Lame normale
Lame glycole
Gris, Rouge Illite
muscovite
-
Cintiques comparatives de dsaturation en eau
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0 200 400 600 800 1000
Temps (h)
d
W
/
S
(
g
/
c
m
)
0
10
20
30
40
50
60
H
m
i
d
i
t
r
e
l
a
t
i
v
e
(
%
)
grsRgrsGgrsJgrsVHR (%)
A saturation initiale quivalente, les facis riches en corrensite (grs J,V) montrent : une plus faible vitesse dvaporation flux constant une dure de schage leve lie la capacit de rtention deau des argiles
Vert
-
Comportement dilatomtrique au cours dun cycle dimbibition-schage
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 10 20 30 40 50 60
Temps (h)
D
i
l
a
t
a
t
i
o
n
(
m
/
m
m
)
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
20,5
21,0
T
e
m
p
r
a
t
u
r
e
(
C
)
Grs VGrs J Grs GGrs RT(C)
Imbibition Schage HR=33%
-
00,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 10 20 30 40 50
D
i
l
a
t
a
t
i
o
n
L
/
L
(
m
m
/
m
)
Dilatation hydrique en imbibition capillaire
Porosit totale (%)
TuffeauMign
SaintMaximin
Grs molassique
Grs desVosges
Grs Khmers
Pression capillaire exerce aux joints de grains (P~r-1) : paramtre structural Fixation deau en position interfoliaire dans les minraux gonflants : paramtre minralogique
Dformation hydrique de quelques pierres de construction
-
Conclusion
FACIESPRODUITS
DALTERATIONPROPRIETES
STRUCTURE MINERALOGIE
PEU ALTERESG, (R)
Nitrate ~ 0.5Halite ~ 0.15
Seuil pore: 6-10mSsp 1m/g -
DESQUAMESJ, V
Nitrate ~ 1.3Halite ~ 0.15
Seuil pore ~ 5mSsp 1.5 m/g Corrensite Forte expansion hydrique
La prsence de sels reste un facteur majeur d altration des pierres en oeuvre
Lincidence des sels doit tre nuance en fonction de la spcificit des milieux
Les proprits de transfert de fluide des rseaux poreux associes une minralogie volue induisent des comportements propices une fatigue de lpiderme des pierres
Faible dilatation 0.4m/mm
TENUEHYDROMECANIQUE
Altration des matriaux du patrimoine : influence des contaminants et de la nature des substrats Proprits superficielles des pierres en uvre revtues de crotes noires gypseuses Principales proprits physico-chimiques des selsSolubilit S : quantit maximale de sel quil est possible de diRpartition des sels lchelle dune maonnerie soumise des remontes capillaires Proprits physico-chimiques des sels (2)Comportement des pierres contamines par des sels solubles
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