Soutenance mémoire
Processus d’altération des calcaires
Processus et phénomènes d’altération
Cette étude vise à regarder l’altération dans son ensemble, c’est-à-dire en étudiant le processus global. Nous devons néanmoins définir l’ensemble des phénomènes d’altération pour aboutir à un processus global.
Phénomènes d’altération chimique
Dissolution
La dissolution consiste en une attaque du calcaire par l’action d’eaux acides, issues des précipitations (Coque, 2008). Elle concerne principalement les roches carbonatées et donc les calcaires qui sont solubles dans l’eau naturelle. Le carbonate de calcium (CaCO3) est légèrement soluble dans l’eau pure : la quantité maximale de calcite qui peut être dissoute dans de l’eau pure n’est que de 13 mg/L à 16°C (Salomon, 2006). Mais la solubilité est bien plus grande lorsque l’eau contient du dioxyde de carbone dissous (CO2). Ce dernier est très soluble dans l’eau pure, cette solubilité obéissant à la loi de Henry selon laquelle elle augmente à mesure que la température décroît et augmente quand la pression s’élève. Au total, cela donne un acide faible, l’acide carbonique (H2CO3). Le dioxyde de carbone se trouve librement dans l’atmosphère à des concentrations de l’ordre de 0,03% par volume, mais dans les sols, sa concentration est bien supérieure : elle peut atteindre fréquemment 2% et même des valeurs records de l’ordre de 10% (Salomon, 2006). Ces fortes teneurs sont la conséquence d’un enrichissement lié à la respiration des racines des plantes et à celle des micro-organismes du sol, enfin et surtout à la décomposition de matière organique. L’eau qui percole au travers du sol traverse cette atmosphère particulière et s’enrichit en CO2 dissout ce qui a pour résultats de la rendre plus acide. De ce fait, le massif qui se trouve recouvert par un sol est généralement plus atteint par la dissolution que celui qui ne l’est pas.
Activité biologique
L’activité biologique comprend la corrosion de la roche par des organismes biologiques. Ces organismes sont apportés par les eaux et le vent (Dévigne, 2008). Les organismes adhérant au massif participent à son altération chimique (Wierzchos et al., 2003) : algues vertes, lichens, champignons, bactéries. Ils produisent une désagrégation et une microdivision de la surface du massif ainsi qu’une attaque chimique par sécrétion d’acide oxalique produit par les lichens comme par les racines des végétaux supérieurs. Les microorganismes peuvent aussi avoir un rôle de couche protectrice limitant les contacts avec d’autres facteurs d’altération, tels que les précipitations (Wierzchos et al., 2003). Les racines des plantes produisent également des acides capables d’attaquer les calcaires (acides humiques, fulviques, etc.) (Salomon, 2006). Les variations de la pression en CO2 sont aussi très importantes pour le mécanisme de la dissolution ou de la précipitation des calcaires.
Phénomènes d’altération physico-mécanique
La dilatation hydrique
La dilatation hydrique concerne les sites où il y a de fortes variations du degré de saturation. Elle a lieu suite à des cycles de saturation-séchage en surface du massif (Pissart et Lautridou, 1983) qui conduisent à une fatigue de la roche suite à des dilatations/contractions micrométriques successives. A la fin du XIXème siècle, Merril (1895) évoque déjà l’action de ce phénomène qui produirait un gonflement de la roche. Ce phénomène n’est important qu’en présence d’argiles, l’eau se fixant entre les feuillets d’argiles.
La dilatation thermique
La dilatation thermique concerne les sites où il y a de fortes variations de la température. Les propriétés thermiques du massif conduisent à une fatigue de certaines parties du massif soumises à des cycles thermiques nombreux et de grandes amplitudes. Ces cycles conduisent à des dilatations/contractions micrométriques du matériau. Lorsque les températures sont négatives, en plus de l’expansion volumique de l’eau gelée des pores (cf. gélivation), le massif se contracte (Prick, 1996). Le coefficient de dilatation thermique d’un calcaire est de l’ordre de quelques nm/m/°C.
Gélivation
La gélivation concerne les sites où il y a de l’eau et des températures négatives. Il s’agit de l’action du gel sur les massifs rocheux. Depuis longtemps le gel a été reconnu et étudié comme un agent important de l’altération des massifs rocheux (Hirschwald, 1912;Thomas, 1938). Quand la température au sein de la roche devient suffisamment basse, l’eau contenue dans les pores peut geler. Le comportement du gel résulte du couplage entre (Figure 1-1) :
– l’expansion volumique de 9% lors de la transition eau-glace (Prick, 1996)
– les effets d’interphase qui gouvernent le processus de cristallisation via la distribution en taille de pores, l’eau ne gelant pas dans les capillaires les plus fins grâce aux énergies impliquées à l’interface solide-liquide (Remy et al., 1994)
– les transports d’eau surfondue au sein du réseau poreux dont le phénomène de cryosuccion qui entraîne l’eau des sites non gelés vers les pores déjà gelés et le phénomène de pressions hydrauliques développées par l’eau poussée par les cristaux de glace (Thomachot, 2002). Le gel se manifeste en fait à deux échelles, la microgélivation, qui affecte les réseaux de pores et la macrogélivation, qui concerne les réseaux de fissures (Bost, 2008).
On peut différencier l’action de deux types de cycle de gel-dégel (Norikazu et al., 1999):
– le gel-dégel journalier
Il affecte la roche sur quelques centimètres. Les cycles de gel-dégel journaliers sollicitent les fissures et le réseau poreux par écartement (Matsuoka, 2001). Il s’y ajoute un effet de fatigue de la sollicitation purement thermique lors des multiples variations de température (Ishikawa et al., 2004).
– le gel-dégel saisonnier .
Il peut affecter la roche sur plusieurs mètres. Il contribue à l’ouverture et à la propagation des fissures existantes. Il a lieu lors du dégel au printemps : une longue période à température négative suivie d’une hausse de température contribue à l’ouverture et à la propagation des fissures existantes de façon différente au gel-dégel journalier (Bost, 2008). Dans cette étude, où nous nous intéressons à l’altération en surface, nous ne parlerons donc que de gel-dégel journalier.
Cristallisation des sels
Ce phénomène est étudié depuis le 19ème siècle (Turner, 1833). Le principe de ce phénomène d’altération est, pour simplifier, le sel qui cristallise dans les pores de la roche et cause des contraintes à l’intérieur du réseau poreux. Certains sels sont plus néfastes que d’autres et l’altération dépend aussi de la concentration en sels (Angeli, 2007).
Activité biologique
En plus de son aspect chimique, l’activité biologique participe également à une altération mécanique. En effet, les racines peuvent se développer dans les fractures du massif et en grandissant exercer une contrainte mécanique, jusqu’à 1,5 MPa (IPGP, 2008a), sachant que la résistance en traction d’un calcaire compacte est de l’ordre de 10 MPa (Massonnet et Cescotto, 1994). Ce phénomène d’altération ne sera pas étudié ici.
|
Table des matières
INTRODUCTION
1. ETUDE DES PARAMETRES EN JEU DANS LE PROCESSUS D’ALTERATION DES CALCAIRES EN CLIMAT TEMPERE
1.1. Processus d’altération des calcaires
1.2. Les facteurs d’altération climatiques
1.3. Les facteurs d’altération de site
1.4. Paramètres
1.5. Conclusion : cadre de l’étude
2. DES DONNEES DE SITE AU LABORATOIRE
2.1. Choix des zones géographiques et des calcaires de référence
2.2. Description des sites étudiés
2.3. Cycles annuel d’altération accélérés retenus en laboratoire
2.4. Conclusion
3. CHOIX DES METHODES DE MESURE DE L’ENDOMMAGEMENT ET D’OBSERVATIONS DE L’ALTERATION EN LABORATOIRE
3.1. Considérations métrologiques
3.2. Mesure des propriétés mécaniques
3.3. Mesure des propriétés physiques
3.4. Observations de l’altération
3.5. Conclusion
4. ESSAIS DE FAISABILITE POUR L’EVALUATION ET LA MISE EN EVIDENCE DE L’ENDOMMAGEMENT EN LABORATOIRE
4.1. Endommagement en fonction de chacun des phénomènes d’altération étudiés
4.2. Endommagement par étapes successives
4.3. Conclusion
5. PROCESSUS D’ALTERATION DES CALCAIRES DE REFERENCE
5.1. Technique d’obtention des résultats
5.2. Processus d’altération du calcaire de Chamesson en Bourgogne
5.3. Processus d’altération de la Pierre de Lens dans le Languedoc-Roussillon
5.4. Conclusion
6. COMPORTEMENT A LA FISSURATION ET CINETIQUES D’ALTERATION
6.1. Evaluation du comportement vis-à-vis de la fissuration
6.2. Moyen d’obtention des cinétiques d’altération
6.3. Cinétiques d’altération des calcaires de référence
6.4. Conclusion
7. VALIDATION DES RESULTATS A L’AIDE D’UN AUTRE CALCAIRE SOUS UN AUTRE CLIMAT
7.1. Le calcaire de Vilhonneur en Poitou-Charentes
7.2. Validation des cinétiques d’altération
7.3. Validation du processus d’altération
7.4. Conclusion
8. PREVISION DE LA DUREE DE VIE DES CALCAIRES EN FONCTION DU CLIMAT
8.1. Prévision de l’impact du climat sur l’altération des calcaires
8.2. Prévision de l’impact des changements climatiques sur l’altération des calcaires
8.3. Conclusion
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
RESUME
