Mélanges de sel dans l'altération de la pierre

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13306 (2023) Citer cet article

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L’altération des pierres liée au sel a été attribuée aux pressions exercées par des cycles répétés de cristallisation dans les pores. L'humidité relative (HR) est un facteur clé des processus de dissolution et de cristallisation. Malgré la prévalence des mélanges de sels dans les milieux naturels, la plupart des travaux expérimentaux se sont concentrés sur des sels uniques. Ainsi, l’identification de la composition des mélanges de sels et de leur comportement est nécessaire pour comprendre l’altération. Des calculs thermodynamiques sont utilisés pour analyser plusieurs milliers de mélanges de sels réalistes trouvés dans la pierre altérée. Nous identifions deux types de mélanges courants et leur comportement. Parmi au moins 85 espèces de sel théoriquement présentes, 14 sels communs sont identifiés comme étant les plus fréquents et leurs points critiques d'HR sont discutés. Ces résultats ont de vastes implications pour la compréhension des processus d’altération du sel et pour éclairer la conception de recherches expérimentales sur l’altération des pierres.

Le comportement des mélanges de sels est une cause importante de pourriture et d’accumulation d’humidité dans les matériaux poreux1,2. Des investigations sur le sujet ont été menées pour comprendre les processus chimio-mécaniques, comme détaillé par Flatt et al.3. Cependant, la plupart des études se concentrent sur des sels individuels4,5,6,7,8,9,10,11, ignorant la réalité selon laquelle les sels existent souvent dans des mélanges et se comportent différemment par rapport aux sels uniques12,13,14,15,16, 17,18,19,20,21,22,23. Ce comportement est le principal moteur de la décomposition et est provoqué par les cycles de cristallisation et de dissolution déclenchés par les conditions environnementales. L'humidité relative (HR) ou la température (T) à laquelle une cristallisation critique peut se produire est ainsi déterminée par la composition du mélange.

Pour illustrer la complexité des mélanges de sels réalistes et les changements de comportement du sel, l'étude de cas suivante est utilisée. La teneur en sel d'un calcaire en décomposition dans le site du patrimoine mondial, Phare de Cordouan, France est étudiée. Au lieu du simple chlorure de sodium (halite), qui a une HR de cristallisation d'environ 75 % (20 °C), un mélange complexe de sels a été trouvé, similaire aux découvertes décrites par Prokos24. La composition du mélange provoque la cristallisation de l'halite à une HR inférieure, ici autour de 65 % (20 °C). Cette variation influence notre compréhension des modèles de désintégration et est cruciale pour évaluer l’impact du climat sur les cycles de cristallisation du sel et les changements de phase.

In theory, more than 85 possible salt phases can form when considering ions that might be found in stones, including relatively common ones (e.g., chloride, nitrate, sulfate, sodium, potassium, magnesium, and calcium), and less common ions (e.g., (bi)carbonate, fluoride, phosphate, nitrite, oxalate, ammonium, acetate, and formate)25,26. By limiting focus to common ions, a total of 40 salt phases remain27. Commonly found ions have many origins, a typical example can be found in churches where hundreds of buried human remains directly influence the salt type and content deposited in the stone materials over time. Ions from decomposing organic materials, typical ions in groundwater and other contaminations are transported into porous materials by capillary forces, leading to the crystallization of salts at the drying front, followed by the deposit and further creep of more soluble salts at heights beyond the reach of pure water25,28,29,3.0.CO;2-G ." href="#ref-CR30" id="ref-link-section-d242519422e590_2"> 30,31. D’autres sources typiques d’ions proviennent des matériaux en pierre eux-mêmes, des interactions avec les polluants présents dans l’atmosphère, des infiltrations d’eau de pluie et des produits utilisés pour l’entretien ou la conservation des matériaux de construction32.

Cette recherche se concentre sur l’identification des mélanges de sels courants trouvés dans l’environnement bâti et les classe en types. L'enquête est basée sur un vaste ensemble de données de mesures d'ions pour lesquelles les données d'ions équilibrées en charge sont utilisées comme entrée pour la modélisation thermodynamique afin de dériver des résultats du comportement de cristallisation du mélange sous l'évolution de l'HR. De plus, les plages critiques de cristallisation et de dissolution des sels identifiés sont étudiées pour chaque composition de mélange et comparées au comportement d'un sel unique.