Multiscale study of stone decay by salt crystallization in porous networks

Etude multiéchelle de la dégradation des roches par la cristallisation de sels dans les réseaux poreux

Matthieu Angeli (1)

1 LT - Laboratoire de tectonique

Crystallization of soluble salts in porous networks is a major source of decay for natural stones. The objective of this thesis is to specify this salt decay mechanism in the particular case of sodium sulphate crystallization. The basis of this work is to follow the evolution of samples of nine sedimentary stones of various origins (two biodetritic limestones, one detritic limestone, one lacustrine limestone, three quartz-rich sandstones and two layered shaly sandstones) during accelerated ageing tests. First, the mechanism of sodium sulfate crystallization is studied thanks to thermal monitoring of the samples. Different crystallization sequences are proposed to explain the decay during the cycles. Then a new way of quantifying salt decay in the long term is proposed, taking into account the hydromechanical properties of the stones. The importance of the microstructures on decay (porous network tortuosity or connectivity, intragrain cracks) is also assessed thanks to a mercury porosimetry study. Finally, the influence of the environmental conditions on decay is also evaluated: evaporation and temperature directs both the location and amplitude of salt decay.

La cristallisation de sels solubles dans les réseaux poreux est une source majeure de détérioration pour les pierres naturelles. L'objectif de cette thèse est de préciser ce mécanisme de détérioration par le sel dans le cas du sulfate de sodium. Le point de départ de cette étude est de suivre l'évolution d'échantillons de neuf roches sédimentaires d'origines différentes (deux calcaires biodétritiques, un calcaire détritique, un calcaire lacustre, trois grès riches en quartz et deux grès argileux lités) au cours des tests de dégradation accélérée. Tout d'abord, le mécanisme de cristallisation du sulfate de sodium est étudié grâce à un suivi thermique des échantillons. Différentes séquences de cristallisation sont proposées pour expliquer la détérioration au cours des cycles. Ensuite une nouvelle manière de quantifier l'altération à long terme par le sel est proposée, tenant compte des propriétés hydromécaniques des roches. L'importance des microstructures sur l'altération (connectivité et tortuosité du réseau poreux, fractures intra- grains) est aussi déterminée par une étude par porosimétrie au mercure. Enfin, l'influence des conditions environnementales sur l'altération est aussi évaluée : l'évaporation et la température influencent tous les deux à la fois la localisation mais aussi l'amplitude des dégâts causés par le sel.

Mots clés: Dégradation des roches; Cristallisation de sels; Sulfate de sodium; Microstructures

Mots clés: Stone decay; Salt crystallization; Sodium sulphate

Domaines: Géologie appliquée; Géophysique [physics.geo-ph]

Matthieu Angeli. Multiscale study of stone decay by salt crystallization in porous networks. Applied geology. Université de Cergy Pontoise, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00239456⟩