Réalisé par :*OUASSARNI ABDERRAHIM

Proposé et encadré par le professeur :*SEBBANI

I. Introduction 

II. Phénomènes d’altération des monuments historique 

1. Nature d’altération des monuments historique 1.1. Action de la nature 1.2. Action de l’Homme 1.3. Action du Temps

III. Altération de la pierre 1. Critères de rupture des roches 2. Le cercle de Mohr et le critère de Mohr-coulomb en

particulier 3. Quelques propriétés de la pierre en œuvre 

3.1. La rétention d’eau3. 2. Le transfert d’eau3. 3.La perméabilité à l’eau3. 4.L’évaporation3. 5.La vitesse de propagation du son

IV. Conclusion 2

Un monument, désigne une œuvre érigée avec l’intention précise de maintenir à jamais présents dans la conscience des générations futures des événements ou des faits humains particuliers.

Depuis des siècles l’homme transforme la roche en pierre afin d’élaborer tout type d’édifice. lorsque la roche est extraite pour devenir pierre, le matériau subit un bouleversement important : l’état métastable dans lequel il se trouvait est rompu. La pierre est ainsi soumise à un milieu dont l’amplitude de ses variations peut le rendre très agressif.

Et c’est là que peut intervenir les lois de la mécanique et en particulier la mécanique des roches.

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1. Nature d’altération des monuments historique :

Habituellement, les dégradations des monuments sont classées selon la nature des processus qui les produisent.

C‘est pour cela que nous avons choisi de présenter les causes principales d’altération des monuments suivant trois volets correspondant aux actions de : la nature, l’Homme et le Temps.

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1.1. Action de la nature :1.1. Action de la nature :1.1.1. Les radiations solaires :

Elles sont plus ou moins absorbées par les matériaux, leur fournissant ainsi une énergie qui peut participer à leur détérioration. Les radiations les Plus énergétiques sont les ultraviolets.

Sur les roches ou les pierres. L’influence de ces radiations contribuent à augmenter leur température, ce qui a d’autres effets.

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1.1.2. Les variations de température : Les variations de température proviennent

essentiellement de la chaleur fournie ou perdue. D’un point de vue mécanique, elles induisent des

contraintes dites « thermiques ». En l’absence d’eau par exemple, la contrainte qui se

développe dans un matériau s’écrit de façon simplifiée :

Ces phénomènes dépendent également de l’hétérogénéité du matériau qui peut conduire à des déformations interne ou externe.

De plus si l’eau est présente dans une pierre chauffée, facteurs d’altération peuvent apparaître : une évaporation de l’eau présente dans les couches superficielles

de la pierre qui peut être à l’origine d’exfoliations. une dilatation des molécules d’eau dans les pores de la pierre qui

peut produire des pressions assez fortes.

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σ=E λ ∆T *∆T : l’écart de température *λ : le coefficient de dilatation thermique du matériau *E : module d’élasticité

1.1.3. L’humidité de l’air et l’eau souterraine : Les matériaux poreux de construction tels que les

pierres en œuvre captent l’humidité suivant les conditions environnementales. Ainsi, les flux d’eau à travers la pierre sont responsables des altérations des monuments.

L’eau peut avoir plusieurs conséquences, la dilatation-contraction des molécules d’eau qui induisent, des contraintes élevées sont à l’origine du cristallisation des sels qu’elle transporte du sol jusqu’à la surface externe des pierres par remontée capillaire. D’autre part, une fois cristallisés, ces sels peuvent se dilater ou se contracter sous l’influence de variations de température et participer ainsi un peu plus à l’altération des pierres.

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Figure1 : exemple d’effets que l’humidité a sur un mur.

1.1.4. La pluie : représente un facteur d’altération mécanique directe

par la violence avec laquelle les gouttes percutent la surface des édifices ou quand, piégée sous la forme de torrents dévalant les montagnes, elle constitue une force destructrice difficile à contenir.

Mais la pluie, transporte aussi des gaz dissous provenant de la pollution atmosphérique, et peut entraîner une altération chimique. Ces pluies, plus connues sous le nom de pluies acides, représentent une cause majeure de l’altération des monuments ou de sites historiques en milieu urbain ou industriel.

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Figure2 : exemple d’effet de pluie sur un mur.

1.1.5. Le vent : Le vent est aussi une cause de dommages

importants. Ses effets sur les monuments sont nombreux : forces de pression et d’aspiration, vibrations de structure par phénomène de résonance, transport de particules solides heurtant les façades, rapide évaporation de l’eau contenue dans les couches externes des pierres, etc.

1.1.6. La foudre : La foudre est une cause naturelle de

dommages importants. Elle provoque une décharge électrique qui produit une énergie pouvant atteindre plusieurs milliers de méga watts (Fielden. 1980), si bien que l’humidité présente dans les matériaux est échauffée de manière explosive.

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1.1.7. Les désastres naturels : Parmi les facteurs naturels d’altération, il y en a qui

provoquent une destruction rapide et souvent complète des monuments historiques.

Pendant un tremblement de terre, un monument bâti est brusquement soumis â une accélération erratique transmise par le sol dont la valeur et la direction changent plusieurs fois par seconde. Ces efforts engendrent alors des tractions auxquelles les maçonneries ne peuvent résister. De plus, les composantes verticales de l’accélération réduisent ou annulent, par instants, l’action de la pesanteur, donc l’effort de compression qui assurait la cohésion de la maçonnerie.

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Pendant les vibrations, chaque mur porteur a tendance à vibrer

indépendamment. Les phases d’écartement annulent les forces de

compression qui maintenaient ensemble les éléments de la voûte,

d’ou, l’apparition de fissures longitudinales, de la déformation de la

voûte puis de son écroulement.Figure3 : Effets d’un séisme sur un mur de maçonnerie

Figure4 : Effets d’un séisme sur les arches et les voûtes

1.1.8. La biodégradation : La biodégradation comprend les dommages

provoqués par les organismes microscopiques mais aussi ceux engendrés par les animaux et la croissance des plantes.

De nombreux organismes vivants peuvent facilement coloniser les monuments historiques et aussi être responsables, en plus de leur caractère inesthétique, de dégradations plus ou moins importantes. Les agents d’altération biologiques sont principalement les mousses, les champignons, les algues mais aussi certaines bactéries.

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Figure 5 : développement d’algues vertes et rouges sur un mur exposé à un écoulement d’eau.

1.2. Action de l’Homme :1.2. Action de l’Homme :

l’homme est responsable d’une altération souvent très rapide de son environnement et de son patrimoine architectural.

Cette action est immédiatement repérable. que ce soit sous la forme de destructions volontaires à la suite de conflits armés, d’actes de vandalisme, sur les traces du tourisme grandissant ou sous la forme d’altérations indirectes comme les célèbres croûtes noires qui couvrent maintenant nombreux de nos monuments.

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1.2.1. Action destructrice directe : Les plus importantes de ces destructions directes dues

à l’homme proviennent avant tout des guerres. Par indifférence, associée des besoins primaires à court

terme, les hommes ont utilisé des monuments comme leur propre résidence.

Le gaz carbonique dégagé par la respiration peut se dissoudre en présence de gouttelettes d’eau. Ces gouttes, riches en acide carbonique, deviennent agressives et attaquent le calcaire, ou généralement le carbonate de calcium des roches carbonatées. L’explication chimique en est la suivante : le CO2, dissous dans l’eau (H2O), produit (H2CO3). Cet acide réagit alors avec le de la roche (CaCO3) pour donner le Ca(HCO3)2 soluble, qui est éliminé ensuite par un ruissellement d’eau par exemple. La roche s’en trouve alors altérée.

CO2 + H2O ↔ H2CO3

CaCO3 + H2CO3 ↔2HCO 3- + Ca2+

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1.2.2. Action destructrice indirecte : Les mutations d’activité humaine qui ont conduit à la

modernisation sont responsables d’un grand nombre d’altération faites aux monuments.

L’écoulement d’eau dans des sols gonflants ou dans les ouvrages historiques à la suite de fuites dans les systèmes d’évacuation d’eau ou par simple négligence est parfois responsable de dégâts importants.

Le développement d’une agriculture basée sur l’utilisation intensive d’engrais a eu parfois pour effet de modifier la répartition et la qualité physico-chimique des eaux souterraines entraînant des altérations sur certains monuments historiques.

D’autre part, l’industrialisation croissante est à l’origine des pollutions atmosphériques qui touchent nos monuments et qui conduisent notamment à l’apparition des fameuses croûtes noires.

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Figur6 : Schéma d’altération chimique causé par le dioxyde de soufre des régions polluées.

Le schéma suivant esquisse les liens d’interaction entre les différents facteurs d’altération :

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1.3. Action du temps ou des lois 1.3. Action du temps ou des lois universelles universelles de la mécanique de la mécanique ::

Cette action se manifeste sur le monument lui même ainsi que sur son environnement.

Donc, si on parle de notion de résistance, il faut savoir que les matériaux employés dans la construction des monuments historique ont une constitution moléculaire que les forces extérieures auxquelles ils sont soumis tendent à altérer.

16Figure7 : Processus simplifiés de l’altération des cavités.

Le comportement d’un matériau est fonction de sa structure, de son élasticité. Selon leur action, les forces peuvent provoquer des efforts de : Compression : on dit qu’un matériau est soumis à un effort

de compression lorsqu’il subit l’action de deux forces opposées qui cherchent à l’écraser.

Traction : Le calcul des pièces soumises à une traction se fait selon le même principe que ceux énoncés pour la compression.

Flexion : Si on charge une poutre en porte-à-faux à son extrémité libre, elle fléchit. Les fibres supérieures de la poutre sont alors soumises à un effort de traction, les fibres intérieures par contre sont soumises à un effort de compression, celles du milieu ne subissent aucune déformation.

Cisaillement : On dit qu’un matériau est soumis à un effort de cisaillement lorsqu’il subit l’action de deux forces très rapprochées, mais de direction opposée.

Flambage : Lorsqu’un élément de construction soumis à un effort de compression dans le sens de son axe longitudinal devient trop élancé, il risque de « flamber ».

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De plus, sous l’action de ces forces, une couche de sol ou un talus peut se mettre en mouvement, ce qui conduit à l’altération du monument.

Une répartition en trois catégories semble pouvoir être représentative des problèmes dont les mouvements des terrains est à l’origine :

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1.3.1 Les mouvements lents et continus : Les affaissements : Evolution de cavités

souterraines dont l'effondrement est amorti par le Comportement souple des terrains superficiels.

Les tassements : Diminution de volume de certains sols, sous l'effet des charges appliquées et de l'abaissement du niveau des nappes

aquifères par surexploitation.

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Figure8: cas Tassement.

Les phénomènes de gonflement-retrait : Ils sont liés aux changements d'humidité des sols très argileux, qui sont capables de fixer l'eau disponible, mais aussi de la perdre en se rétractant en cas de sécheresse. Ce phénomène, peut provoquer des dégâts importants sur les monuments ou sur les constructions en général.

Les glissements de terrain : Déplacements par gravité d'un versant instable, de vitesse lente, ils peuvent cependant s'accélérer en phase paroxysmale pour aller même jusqu'à la rupture.

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Figure9 : cas d’un glissement de terrain.

1.3.2. Les mouvements rapides et discontinus : Les effondrements : Déplacements verticaux instantanés

de la surface du sol par rupture brutale de cavités souterraines préexistantes, avec ouverture d'excavations grossièrement cylindriques (fontis), parfois sur plusieurs niveaux .

Les écroulements et chutes de blocs : Ils résultent de l'évolution de falaises allant, selon les volumes de matériaux mis enjeu, de la simple chute de pierres (inférieur à 0,1 m3), à l'écroulement catastrophique (supérieur à 10 millions de m3) avec, dans ce dernier cas, une extension importante des matériaux éboulés et une vitesse de propagation supérieure à 100 km/h.

Les coulées boueuses et torrentielles : Phénomènes caractérisés par un transport de matériaux sous forme plus ou moins fluide.

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Figure10 : cas effondrement de terrain.

1.3.3. L’érosion littorale Les zones littorales sont soumises à

un recul quasi généralisé : glissements ou effondrements dans le cas de côtes à falaises, érosion dans le cas de côtes basses sableuses.

Le plus souvent lente et progressive (inférieure à 0,5 m/an), cette érosion peut être spectaculaire, brutale et très dommageable.

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Depuis la plus haute antiquité, les civilisations qui se sont succédées ont laissé, grâce à la pierre, la trace de leur art de bâtir. Cependant, nombre des témoignages qui ont échappés à la destruction totale se sont néanmoins dégradés au fil du temps.

Nous allons nous intéresser ici plus particulièrement à la rupture des pierres au sein de ces monuments historiques, et on va commencer par les propriétés des roches avant d’entamer celles des pierres.

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1. Critères de rupture des roches :

Le critère de rupture permet de comparer en général un état de contrainte à la résistance intrinsèque du matériau soumis à cet état de contrainte.

La résistance intrinsèque du matériau peut s’exprimé par la résistance au pic(point B).

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Figure11 : Courbe de contrainte-déformation lors d’un essai de compression simple.

Ces valeurs, peuvent rendre possible d’établir des relations empiriques reliant les valeurs que prennent la contrainte axiale σaxial et la contrainte de confinement σconf au moment ou les limites sont atteintes : ces relations prennent la forme suivante :

σaxial = f(σconf) Exprimé en fonction de la contrainte de cisaillement τ et

de la contrainte normale σn sur une surface particulière d’un échantillon, un tel critère s’exprime comme suit :

τ = f (σn) Le critère de Mohr-Coulomb est le plus utilisé en

pratique.il définit la relation qui unit la contrainte tangentielle à la contrainte normale pour un plan particulier du matériau considéré au moment de la rupture et prend la forme suivante :

τ = c+ σn tan ФOù : - c : la cohésion du matériau

- Ф l’angle de frottement du matériau.25

De même, le critère de Hoek et Brown (1980), basé sur des aspects théoriques et expérimentaux du comportement des roches permet de déterminer les conditions pour atteindre la rupture dans le cas des roches fragiles ou cassantes. Il est représenter sous la forme suivante :

σaxial = σconf + (m σc σconf +s σc2)1/2

Avec :- σc : résistance a la compression simple (valeur de pic)

- m : facteur de propriété de la roche.

- s : indice de fracturation de la roche.

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Types de roches m σc (MPa)

Calcaire, marbre, grès, dolomite

< 10 140

Grès, dolorite, quartzite 15 155

Granite, amphibolite, silex, gabbro, granite, quartzodiorite

>20 250

s=1 pour des roches intactes ; s=0 pour une roche très facturée de maigre qualité

2. Le cercle de Mohr et le critère de Mohr-Coulomb en particulier :

La construction du cercle de Mohr est un outil simple qui permet de représenter l’état de contrainte en un point d’un matériau, puis de comparer aisément cet état de contrainte avec le critère de rupture de Mohr- coulomb.

La construction de cercle de Mohr est possible à condition de connaitre:

σx , σy, τxy, contraintes normales et de cisaillement exercées sur les facettes « fictives » perpendiculaires entre elles et passant par le point étudié.

Connaissant les trois données du type σx ,σy ,τxy, le cercle de Mohr ce construit de la façon illustrée par la figure suivante :

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Figure12 : construction du cercle de Mohr.

Sur cette figure, les contraintes principales, sont perpendiculaires entre elles. σ1 est la contrainte majeure et σ2 est la contrainte mineure.

Il découle de la construction précédente les formules suivantes :

○ Où σ et τ sont les contraintes normales et de cisaillements qui s’exercent sur une facette faisant un angle θ avec la direction de σ1.

Finalement, il nous reste à comparer l’état de contraintes obtenu, avec la courbe intrinsèque (Mohr-Coulomb) du matériau dont on étudie le comportement. Cette comparaison peut se faire graphiquement comme le montre la figure suivante :

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2cos22

2121

2sin

2 21

Figure13 : comparaison du cercle de Mohr avec le critère de rupture.

Si le grand cercle, déterminé par les valeurs de σ1 et σ2, rencontre la courbe intrinsèque du matériau, il peut se produire une rupture du matériau selon un plan faisant un angle θ avec la direction de σ1 : cet état correspond au dépassement de la limite d’élasticité du matériau.

3. Quelques propriétés de la pierre en œuvre :

3.1. La rétention d’eau 3.1. La rétention d’eau : : Les matériaux poreux comme les pierres ont tendance à plus

ou moins bien capter l’eau selon l’humidité ambiante. On détermine la quantité d’eau présente dans le matériau par simple pesée et on définit ainsi la teneur en eau massique w de l’échantillon par le rapport :

On définit aussi le degré de saturation Sr qui exprime à quel état hydrique se trouve la pierre. Il représente aussi la proportion du volume de l’eau Veau par rapport au volume des vides Vv. :

○ Avec : θ est la teneur en eau volumique Ntot est la porosité totale.

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sec

sec

sec m

mm

m

mw humideeau

totsatr Nw

wS

La teneur en eau maximale à la saturation wsat peut donc être calculée en considérant que le volume d’eau est égal au volume des vides :

Pour caractériser l’aptitude d’un matériau poreux à capter et à fixer l’eau il suffit de réaliser l’isotherme d’adsorption/désorption d’eau appelée courbe de rétention d’eau. Pour ce faire, plusieurs techniques complémentaires sont utilisées afin d’observer les différents états de saturation des matériaux, de l’état sec à l’état totalement saturé.

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tota

eausat Nw

3. 2. Le transfert d’eau :3. 2. Le transfert d’eau : L’imbibition : Les propriétés d’imbibition par

capillarité d’une pierre sont directement liées à la taille et à la forme des pores, ainsi qu’à la connectivité du réseau poreux. Ce phénomène est classiquement décrit par l’équation de Washburn :

Et qui définit les coefficients d’imbibition massique et visuel (A et B). Ces derniers peuvent être reliés à la porosité capillaire, si la montée de l’eau est bien régulière, par la relation :

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tAS

m

tBtr

h c

2

A = ρeau B Nc

3. 3.La perméabilité à l’eau :3. 3.La perméabilité à l’eau : La perméabilité définit la capacité d’un matériau

poreux à se laisser traverser par un fluide. La perméabilité d’une roche dépend principalement de ses propriétés texturales intrinsèques.

Le Principes théoriques de La perméabilité a été défini par Darcy (1846) qui a montré qu’il existe une relation linéaire entre le débit volumique d’eau Q et le gradient de pression appliqué :

Où : - S est la surface de la section perpendiculaire au flux.- L :la longueur de l’échantillon traversé.- η :la viscosité dynamique de l’eau.- k :la perméabilité spécifique du réseau poreux.

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L

PSkQ

3. 4.L’évaporation :3. 4.L’évaporation : Le séchage d’une pierre permet à celle-ci

d’évacuer par évaporation d’eau afin de s’équilibrer avec le milieu extérieur. Elle est fonction de paramètres externes. De plus, dans une pierre, elle est également fonction de ses propriétés internes qui déterminent le déplacement de l’eau sous forme liquide et/ou vapeur dans son réseau poreux.

On définit le flux d’évaporation par transfert capillaire qHR comme :

○ Exprimé en g/cm2/h

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dt

SmdqHR

)(

3. 5.La vitesse de 3. 5.La vitesse de propagation du son : propagation du son :

La mesure de vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans les pierres est un moyen d’investigation complémentaire des essais mécaniques.

La vitesse du son dans une pierre dépend de ses propriétés élastiques et de sa densité apparente qui sont générées par le squelette solide (composition minéralogique, cohésion, taille des grains) et l’espace poral associé qui est plus ou moins saturé en fluides.

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En classant ces phénomènes d’altérations selon leurs origines, l’accent est mis sur des principes de base de la restauration qui disent que :

○ On ne s’oppose pas à l’action de la nature, on ne peut que s’en protéger ou en diminuer les effets.

○ On peut supprimer à terme, l’action de l’homme en prenant des mesures destinées à régulariser les interventions humaines sur, ou au voisinage des monuments.

○ On ne peut supprimer l’action du temps ou des lois universelles comme celles de la mécanique, mais on peut ralentir ses effets.

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