Thèse CD - Reproduction des Altérations aux Interfaces Pierre - Mortier par Simulations Expérimentales de Variations Environnementales H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Dans ce cadre, plusieurs approches sont possibles. Dans le cadre d'un monument historique, les prélèvements n'étant pas toujours autorisés, des analyses in situ directement sur le bâtiment sont utiles pour comprendre les altérations d'un monument dans son environnement. Ce type d'analyse est souvent limité par la technologie portable et ne permet pas une compréhension poussée des phénomènes. D'un autre côté, les analyses en laboratoire de vieillissement artificiel permettent de comparer la résistance des matériaux à certains types d'altération (NF EN 14066 chocs thermiques, NF EN 12371 gel, sels NF EN 14147) mais les conditions expérimentales utilisées pour quantifier rapidement l'altération ne sont pas toujours fidèles aux conditions réelles et peuvent mener à des conclusions erronées (Crewdson, 2008; Lubelli et al., 2014). Des essais en laboratoire se voulant plus réalistes sont développés pour reproduire des variations et comprendre l'altération in situ de pierres naturelles ((Warke & Smith, 1998; Thomachot-Schneider et al., 2018; Huby et al., 2022). Le projet s'articule autour de deux problématiques associées à des objectifs complémentaires.
La première concerne l'élaboration d'un dispositif expérimental innovant capable de reproduire de manière réaliste les sollicitations environnementales (pluie, variations thermiques, ensoleillement) subies par les maçonneries in situ. Un premier prototype simulant les événements pluvieux a été développé lors d'un stage de Master2 (Science et Génie des Matériaux) de mars à août 2025. L'objectif est désormais de fiabiliser ce dispositif et de l'étendre aux variations de température, en intégrant une étuve pour le chauffage indirect et une lampe infrarouge pour simuler l'ensoleillement direct. La campagne expérimentale permettra d'étudier des matériaux de la région de manière isolée ou intégrés dans des assemblages complexes. Les paramètres environnementaux seront définis à partir de l'analyse de données Météo France afin d'être représentatifs des variations environnementales locales pour simuler des épisodes pluvieux ainsi que des phases de chauffage et d'ensoleillement. L'objectif est alors de caractériser le comportement des matériaux et assemblages soumis à des variations environnementales typiques. Une attention particulière sera portée aux phénomènes d'altération à l'interface pierre/mortier, zone de faiblesse particulièrement propice aux dégradations. Les différences de propriétés entre matériaux (porosité, perméabilité, solubilité) peuvent en effet générer des comportements différentiels et des contraintes à l'interface. Cette zone est également le siège de transferts d'espèces chimiques pouvant conduire à la contamination par des sels expansifs.
La seconde problématique consiste à étudier le phénomène d'évaporation lors d'expériences dédiées. Ce phénomène, rarement étudié en conditions réalistes car très long (plusieurs semaines) pour un suivi continu, intervient des mécanismes de dégradation notamment par la différence de dilatation au niveau du front d'évaporation et la cristallisation de sels expansifs. L'évaporation de l'eau contenue dans les matériaux et les assemblages pierre/mortier sera étudiée en quantifiant et suivant les transferts d'eau au sein des matériaux à l'aide de sondes dédiées en fonction des paramètres environnementaux. Encore une fois, la zone d'interface sera particulièrement étudiée dans le cadre d'assemblages complexes pierre/mortier en tant que siège des transferts entre les matériaux.
- Caractérisation des matériaux : les matériaux seront analysés pour leurs propriétés physiques (porosité, dilatation hydrique et thermique, absorption d'eau par capillarité) et mécaniques (résistance à la compression/traction). Les matériaux incluent des pierres naturelles (calcaire de Jaumont, calcaire de Savonnières, grès des Vosges, granite de Senones) ainsi que des mortiers à base de chaux et de ciment.

- Elaboration d'un dispositif expérimental : à partir d'un dispositif existant pour simuler la pluie par vaporisation d'eau, un banc d'essai sera mis au point pour simuler les évènements pluvieux et l'ensoleillement afin de recréer en laboratoire des cycles thermo-hydrique réalistes tels que les subiraient les matériaux de maçonnerie sur un mur vertical dans un climat représentatif de l'Est de la France.

- Suivi du comportement des matériaux : le suivi des échantillons lors des cycles sera assuré par des capteurs (température, déformations) placés dans les matériaux. Ce suivi continu sera complété par un système DIC (Digital Image Correlation) qui permettra l'estimation de la déformation sur une surface. Les répartitions de température et d'eau dans les matériaux ainsi que les contraintes générées dans les matériaux, en particulier à l'interface pierre/mortier, pourront ainsi être estimées.

- Etude de l'évaporation : le phénomène d'évaporation après mouillage sera particulièrement analysé lors de suivis long terme. La teneur en eau sera mesurée par des sondes TDR (Time Domain Reflectometry) et des capteurs de déformation seront utilisés pour suivre l'évolution de la teneur en eau et les transferts d'eau entre les matériaux, ainsi que les contraintes sous gradients hydriques.
- Analyses post-cyclage : les matériaux seront également étudiés après cyclage pour suivre le potentiel endommagement (observations au MEB, évolution de la porosité avec la porosimétrie mercure, analyse de sels par DRX, ATG-ATD, etc.).