PIERRES (MALADIE DES)

PIERRES (MALADIE DES)

De tout temps, l’homme a été préoccupé par l’altération des pierres de construction. Mais le développement industriel et toutes les pollutions qu’il engendre, surtout depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale, ont donné au problème de la maladie des pierres une dimension nouvelle. Si la recherche des causes et des mécanismes d’altération ainsi que celle des moyens de lutte sont entreprises scientifiquement depuis au moins une centaine d’années, l’organisation des études en ce domaine, qui peut intéresser des disciplines aussi diverses que la météorologie, la microbiologie, la pétrographie ou les travaux publics, est toute récente.

On fera ici le point sur les recherches menées en France, ainsi que dans d’autres régions du monde, en particulier dans la zone intertropicale où l’intensité des agressions météoriques confère aux problèmes rencontrés un caractère particulier.

Les divers types d’altération en zone tempérée

Toutes les transformations des pierres au contact de l’atmosphère ne doivent pas être considérées comme des altérations. Ainsi, la tradition des tailleurs de pierre voulait que les pierres, après leur extraction, soient laissées sur la carrière afin que s’améliorent leurs qualités mécaniques. De nombreux auteurs, tel Viollet-le-Duc, se réfèrent à ces coutumes et pensent qu’il s’agit d’une maturation produite par la migration de carbonate de calcium vers la surface de la pierre. L’horizon d’accumulation, plus dur que la partie interne de la roche, est appelé calcin. Mamillan étudia les propriétés physiques du calcin sur des pierres saines prélevées sur des édifices de zone urbaine. Le calcin possède une dureté et une densité plus grandes que celles de la roche originale. Les analyses chimiques ont montré qu’il était constitué en grande partie de sulfate de calcium, ce qui tendrait à prouver que le calcin en zone urbaine résulte de la superposition de migrations de carbonates et de sulfates de calcium.

De l’observation des divers cas d’altération observés en pays tempérés, principalement en France, il ressort que l’on peut grouper les altérations proprement dites en trois grands types:

– désagrégation sableuse et alvéolisation,

– desquamation,

– efflorescences.

Désagrégation sableuse et alvéolisation

Les calcaires peuvent se désagréger en sable assez grossier ou en poudre fine. Cette désagrégation se produit souvent dans des zones limitées, formant ainsi des alvéoles, des sillons ou des vermiculations qui s’orientent parfois selon les lits de sédimentation de la roche (fig. 1). Il est à remarquer que les arêtes des pierres sont souvent respectées et restent en saillie. Dans d’autres types d’altération sableuse, il n’y a aucune zone saillante. Les tuffeaux de Touraine et la molasse de la vallée du Rhône (Vienne) acquièrent aussi un modelé alvéolaire.

Desquamation

Les calcaires peuvent se desquamer en pellicules, en croûtes ou en plaques. Sur les calcaires tendres à grain fin, il se forme des pellicules lisses et noires d’une épaisseur de l’ordre du millimètre (pierres de Bourges et de Charly). Le décollement est d’abord très limité, donnant ainsi des pustules de 1 cm de diamètre; par la suite, ces dernières augmentent de taille jusqu’à un décollement généralisé de tout le parement de la pierre. Les croûtes ont une épaisseur plus grande que celle des pellicules: de 0,1 à 0,5 cm. Leur surface reflète la texture de la roche, avec parfois des excroissances allant jusqu’à des boursouflements irréguliers noirs (cathédrale de Reims). À la limite, ces excroissances forment des efflorescences noires (cathédrale de Bordeaux). La desquamation en plaques a une épaisseur plus importante encore: de 0,5 à 1 cm (commanderie des Templiers, Arles; fig. 2). La surface de ces plaques, comme celle des croûtes, peut présenter des excroissances noires. En fait, entre ces divers types de desquamation, il n’existe pas de limite tranchée.

Au microscope polarisant, les sections de pellicules ou de croûtes ont, en partant de la surface, le profil suivant: zone noire avec des particules de suie et des cristaux de gypse; partie desquamée parcourue par des fractures dont les directions générales sont parallèles à la surface, avec de petits cristaux de gypse dans les pores de la roche et dans les fissures (parfois la cristallisation des aiguilles de gypse est allongée perpendiculairement aux lèvres des fissures). Au-dessous de ces desquamations, on retrouve une zone pulvérulente et sableuse, constituée de petits grains monocristallins de calcite.

Les tuffeaux se desquament en plaques de 2 à 3 cm d’épaisseur (pont Henri-IV à Châtellerault; église Saint-Médard à Thouars). En dessous, la roche, d’aspect feuilleté, est très friable sur 1 à 2 cm de profondeur.

Sur les grès des cathédrales de Rodez et de Strasbourg, on note des desquamations de pellicules, de croûtes et de plaques. Les pellicules ont une épaisseur millimétrique; les croûtes, plus épaisses, présentent une surface irrégulière; les plaques ont une épaisseur de 1 à 2 cm. En dessous, la roche n’a plus de cohésion sur quelques millimètres.

Efflorescences

Sur la cathédrale de Strasbourg, on peut remarquer des efflorescences qui sont des excroissances plus abondantes de suie noire. À Moissac, sur le portail sud de l’abbatiale, on trouve des efflorescences de salpêtre blanches et feutrées.

Caractères physico-chimiques des altérations en zone tempérée

L’érosion résultant de la circulation de l’eau fut considérée comme le seul facteur d’altération par A. Hettner (1903): les efflorescences auraient été dues à l’incrustation de particules d’origine externe (suie, par exemple) qui se seraient logées dans les pores de la roche.

En 1928, en Angleterre, la Building Research Station entreprit l’étude de la solubilisation de la roche par l’eau de pluie, phénomène assimilé aux grands processus géodynamiques des karsts. On étudia en particulier le cas de la solubilisation des calcaires de Solenhofen par l’eau de pluie des villes. À la même époque, des études similaires furent faites sur d’autres roches que les calcaires, notamment des basaltes, pendant quatre ans. Des études de plus longue durée (douze années) furent ensuite réalisées à partir de 1934 sur la solubilisation des calcaires; il en ressort que la pluie produit sur les parements exposés un lessivage qui, s’il érode la roche, lui conserve cependant son aspect initial; elle apparaît donc saine.

On étudia aussi la solubilisation des sels autres que les carbonates de calcium et de magnésium; ainsi E. Blanck, en 1910, émettait l’hypothèse que les altérations auraient une cause physico-chimique. G. Beyer et D. Haberle suggérèrent que l’eau de pluie dépourvue de sels s’enrichit lors de son passage dans la roche et que, au cours de son évaporation, elle dépose à la surface de celle-ci des efflorescences. Par la suite, on dosa les sels solubles dans l’eau des zones altérées en comparant celles-ci à la roche saine.

Parmi les sels solubles, ceux que l’on retrouvait en plus grande quantité étaient les sulfates, les nitrates et les chlorures. Ces analyses apportèrent la confirmation de l’hypothèse qu’avait émise Klander en 1916 sur la migration des sels solubles.

Les altérations alvéolaires ne contiennent pas ou peu de sels solubles. Leurs causes sont encore mal définies.

Origine des sels

Les auteurs ont pensé tout d’abord que les sulfates se trouvaient dans la roche et que les cycles de dessiccation et d’humidification amenaient les sels à la surface en faisant apparaître des efflorescences.

J. Bourcart, en 1946, mit en évidence la présence de pyrite dans le tuffeau de Touraine. Ce sulfure pouvait par la suite être oxydé en sulfate et migrer vers la surface de la pierre. Cependant, dans la majorité des roches, cette quantité de soufre est trop faible pour expliquer les fortes teneurs que l’on observe à la surface des altérations. Ainsi, ces sels ne proviendraient que d’apports extérieurs, soit de l’atmosphère ambiante, soit du sol.

Apport atmosphérique

En 1929, E. Kaiser, faisant une revue bibliographique du problème, montre que l’accélération des altérations s’est produite depuis que l’on brûle du charbon pyriteux. Kieslinger (1932) note l’importance de la combustion des charbons à Vienne. Tous ces faits semblent confirmés par de nombreux auteurs. La combustion des charbons et des fuels dégage de l’anhydride sulfureux. Ce dernier serait oxydé en S³ par l’action catalytique des ultraviolets ou des éléments-traces contenus dans les suies. Ces derniers auraient tendance à s’associer avec les particules liquides ou solides en suspension dans l’air et composeraient un aérosol.

En plus de la présence d’acide sulfurique, on a observé des augmentations de basicité de l’air, dans des zones proches des bois, après des journées chaudes et humides. Dans ce cas, il semble s’agir d’un dégagement d’ammoniac dû à l’ammonification des sels. Cet ammoniac (NH³) est oxydé en anhydride bioxyde d’azote (NO²) par les phénomènes électriques de l’atmosphère (orages).

Dans les zones proches de la mer, les chlorures peuvent être entraînés par les embruns salins et créer ainsi des lésions.

Apport du sol

Ces altérations des pierres se produisent également en zone rurale, où la pollution atmosphérique est très faible. Aussi a-t-on été amené à rechercher une autre origine des sels dans les sols: ceux-ci contiennent en effet du soufre sous forme de sulfate ou dans la matière organique. Ainsi, beaucoup d’auteurs ont émis l’hypothèse que, à la suite d’une transformation microbienne, ce soufre organique pouvait être transformé en sulfate, jouant alors un rôle dans l’altération des pierres.

Hypothèses microbiologiques de la sulfatation . Dans le sol, à la base des murs, il y a une réduction des sulfates en hydrogène sulfuré par les bactéries (Desulfovibrio desulfuricans ). Cet hydrogène sulfuré peut migrer avec les remontées capillaires dans les parties hautes du mur et être oxydé par Thiobacillus thiooxydans en sulfate.

Pour expliquer les lésions dans les parties hautes des édifices, on invoque également le fait que les suies et les déjections d’oiseaux contiennent du soufre organique et des sulfates.

Hypothèses microbiologiques de la nitrification . Dans le sol, il y a une ammonification des matières organiques et une réduction des nitrates par la microflore dénitrifiante. L’ammoniac ainsi produit peut migrer dans le mur avec l’eau des remontées capillaires. Dans les parties supérieures de la frange capillaire, cet ammoniac peut être oxydé en nitrite et en nitrate par Nitrosomonas et Nitrobacter .

Dans les parties élevées des édifices, les suies qui contiennent les substances protéiques peuvent être ammonifiées, et l’ammoniac produit peut être transformé en nitrite et nitrate par Nitrosomonas et Nitrobacter .

Les micro-organismes tels que les bactéries, les champignons, les algues et les lichens sécrètent des acides organiques qui contribuent à l’altération des pierres.

Rôle de l’eau

Toutes les altérations de pierres se trouvent dans des zones de remontées par capillarité. Dans les parties hautes d’un édifice, les lésions se situent dans les zones où il y a des fuites de chéneaux, ou aux environs d’un joint de ciment imperméable ou d’une pierre de porosité différente de celle qui est employée dans le parement.

Comme l’eau est l’un des facteurs d’altération les plus importants, il est nécessaire de connaître les caractéristiques des pierres utilisées dans la construction. Ainsi, la porosité, la porométrie et la perméabilité seront des paramètres qui régissent les mouvements de l’eau dans les pierres des édifices. Les remontées capillaires, imputables à la force de tension superficielle de l’eau, sont fonction du rayon moyen des capillaires; ce dernier est régi par la forme et la dimension des pores. La perméabilité caractérise la facilité de l’eau à pénétrer dans la pierre.

Nanoclimat

Une pierre dans un édifice est soumise à des conditions climatiques très localisées; ces facteurs climatiques tels que les pluies fouettantes, les pluies ruisselantes, l’humidité de la pierre, la température à la surface et dans la pierre constituent le nanoclimat. C’est par une étude approfondie de tous ces facteurs physiques et climatiques que l’on peut essayer d’expliquer comment se font les apports en eau, en sels dissous, et éventuellement les départs de ceux-ci. Des études climatologiques ont été effectuées depuis 1965 sur des édifices de zone urbaine, en calcaire (Saint-Louis-des-Invalides, Val-de-Grâce à Paris) ou en grès (cathédrale de Strasbourg); en zone maritime, sur des édifices en calcaire (Saint-Sauveur à La Rochelle).

Simulation artificielle

Connaissant tous ces facteurs, la simulation artificielle du processus d’altération a été faite en laboratoire. Sur des éprouvettes de pierre calcaire, on procède à des cycles d’humidification et de dessiccation, qui consistent à imbiber les éprouvettes de solutions saturées de sulfate de calcium. Dans une seconde phase, on soumet ces éprouvettes à une dessiccation à l’aide d’une lampe infrarouge. Au bout d’un grand nombre de cycles, variable selon la nature de la pierre, on observe la formation d’une desquamation caractéristique du dépôt de sulfate de calcium.

Dans une enceinte à vieillissement, on a recréé récemment les conditions de ventilation de la pierre et, en projetant de l’eau sur la surface de cette pierre, on a simulé une pluie fouettante.

La simulation de l’altération alvéolaire a été faite par séchage total, mais assez lent, après des phases de température faible et d’humidité moyenne, et à l’aide de sels hygroscopiques en quantité faible. Les études dans ce domaine n’étant pas terminées, les recherches porteront sur les différentes conditions climatiques, les divers types de pierres et les sels solubles qu’il est possible de rencontrer.

Action du gel

Le gel n’agit sur la pierre que lorsque la teneur en eau dépasse la valeur critique. Cela s’explique par le fait que la glace n’a plus de place pour se développer. Aussi les pierres à pores fins atteignent-elles plus rapidement cette valeur critique que les pierres à gros pores, plus résistantes. Les hétérogénéités des matériaux, dues au gradient de température, les teneurs en eau plus élevées en certains points modifient ces constatations. Des phénomènes de fatigue, dus au cycle de contraction et de dilatation, interviennent aussi. L’action du gel crée des fissures et des éclatements qui peuvent se manifester seuls ou s’ajouter aux phénomènes physico-chimiques décrits plus haut.

Effets de la température

La cristallisation des roches n’étant pas homogène, les dilatations se font dans des directions différentes, ce qui crée des contraintes désordonnées entraînant la désagrégation de la roche. Cela est particulièrement visible sur certains marbres à Venise.

Influence de la structure de la pierre sur la détérioration

Les pierres de carrière étant très hétérogènes, les lits de sédimentation non horizontaux, les couches plus ou moins argileuses et le fil de carrière produisent des désordres. Aussi, lors de leur utilisation, est-il nécessaire de respecter les règles de construction.

Altération en zone tropicale: l’exemple d’Angkor

Les effets de la maladie des pierres en milieu tropical ont été particulièrement bien étudiés sur l’ensemble des temples d’Angkor, construits en roches détritiques: grès de Kulen, grauwackes et arkoses.

Altération des divers types de roches

Le grès de Kulen est constitué de grains de quartz cimentés par de la kaolinite. Cette roche est peu attaquée par les pluies acides (pH 4,5-5,9). On observe cependant des migrations vers la surface de composés ferrugineux.

Les grauwackes, roches volcano-sédimentaires à ciment ferromagnésien (épidote), se fissurent sous les effets de contraintes internes (variations de températures) ou de contraintes externes (emploi dans la construction).

Les arkoses constituées de plagioclases sont altérées. Les altérations se présentent aussi bien sur des roches en place que sur les pierres des édifices ^{[cf. ALTÉRATION DES ROCHES]}. Les micas sont aussi plus ou moins altérés.

De plus, ces roches contiennent des débris de roches volcaniques, ce qui facilite leur altération. Seul le quartz, qui constitue 40 p. 100 de la roche, est stable.

Mécanismes des altérations

Les altérations en pays tropicaux sont le résultat d’actions physico-chimiques (lessivage des eaux acides) et biologiques.

Causes physico-chimiques

Les échantillons altérés tant dans les carrières que dans les temples semblent caractérisés aux rayons X par la faible intensité des réflexions basales de la chlorite. Cela peut s’expliquer par une destruction partielle de la chlorite ou par un degré de cristallinité plus faible de celle-ci. Les parties altérées sont soumises à des mouvements descendants et ascendants d’eaux qui sont très acides. Ces eaux, en passant à travers les arkoses, s’enrichissent en cations dont l’origine peut être la destruction ou la transformation des argiles, ou encore l’hydrolyse des feldspaths.

La transformation des micas en vermiculite peut être une autre cause d’altération.

Causes biologiques

Les dislocations des pierres sont activement accélérées par les racines de Ficus elastica . Les lichens, les algues et les champignons peuvent être aussi considérés comme un facteur de désagrégation de la roche. En effet, les filaments s’insèrent entre les grains des pierres et les déchaussent. À l’échelle du cristal, ces derniers pénètrent dans les macles et les clivages, et provoquent ainsi une microfissuration.

En outre, les algues et les champignons peuvent provoquer des accumulations de fer et de manganèse, créant ainsi des croûtes noires. Les champignons, les actinomycètes et les bactéries peuvent sécréter des enzymes et des acides capables de solubiliser le calcium, le potassium et le magnésium. C’est le cas des «bactéries des silicates», qui attaquent aussi les plagioclases. Les bactéries du cycle biologique du soufre peuvent produire du gypse, créant ainsi des lésions. Quant aux bactéries du cycle de l’azote, elles peuvent produire des sels d’ammonium facilement solubles.

Méthode de conservation de la pierre

Depuis la dernière décennie, l’ensemble des procédés et produits de conservation de la pierre sont systématiquement testés. Déjà, un certain nombre de résultats tangibles ont été acquis dans les mesures préventives et curatives.

Traitements préventifs

Les traitements préventifs consistent à empêcher les migrations d’eau dans la pierre.

Les produits hydrofuges imperméabilisent les parements, mais ils laissent s’évaporer la vapeur d’eau (respiration de la pierre) des zones internes. Ainsi, ces produits peuvent être appliqués sur des surfaces verticales préalablement lavées et rejointoyées.

Certains procédés de lutte contre les remontées d’eau du sol sont efficaces. Pour cela, des imprégnations de la base du mur ou des injections dans les joints avec des résines sont utilisées. Ainsi, ces deux types de procédés viennent s’ajouter aux méthodes classiques de reprise en sous-œuvre avec des feuilles de plomb et de drainage du sol.

Traitements curatifs

Les traitements curatifs comportent le nettoyage, l’élimination des sels et la consolidation des parties altérées friables.

Nettoyage

Le nettoyage de parement à l’eau (ruisselante ou nébulisée) permet une élimination des salissures et des sulfates en surface. Cependant, dans certains cas des traitements plus appropriés sont à envisager:

– Dans le cas de salissures minérales importantes et indurées, sans introduire de grandes quantités d’eau dans la masse de maçonnerie, des nettoyages chimiques (bifluorure d’ammonium, bases) sont nécessaires.

– Dans le cas de parties sculptées où des desquamations s’amorcent au-dessous de la suie, une préconsolidation à l’aide de résine doit précéder le nettoyage; ce dernier est réalisé à l’aide d’un microsablage à pression et granulométrie contrôlées.

Les nettoyages mécaniques et le sablage sont parfois utiles pour des parements très sales. Cependant, si l’on veut préserver l’épiderme de la pierre, une main-d’œuvre expérimentée doit être employée. Après ces divers nettoyages une application d’hydrofuge empêche la fixation de salissures.

L’élimination des sels nocifs peut être réalisée sur des sculptures dans des bains répétés d’eau osmosée. Applications de pulpe de papier humide ou d’argile (sépiolite, attapulgite) et procédé Mora permettent une élimination des salissures et des sels. À l’opposé, le procédé Lewin permet une insolubilisation des sulfates par formation de sulfate de baryum.

Produits consolidants

Dans le cas de pierres altérées, des résines redonnent une cohésion.

Les objets démontables peuvent être imprégnés sous vide dans des caissons; la polymérisation de la résine est provoquée par une irradiation au rayon gamma (Centre d’études nucléaires de Grenoble).

Pour la consolidation des pierres en œuvre, diverses résines sont étudiées: silane, silicate d’éthyle, époxy, etc. Ce n’est qu’après avoir acquis la parfaite connaissance des interactions entre la résine et la pierre qu’on pourra garantir la conservation.

Des recherches sur la maladie des pierres sont poursuivies partout dans le monde: en Italie, en Belgique, en Espagne, au Portugal, en Indonésie, aux États-Unis, en Allemagne, en Pologne, en France, etc. Les chercheurs forment un groupe de travail dans le cadre de l’Icomos et de l’I.C.O.M. (International Council of Museums). Sur le plan français, les recherches sont coordonnées et orientées par le ministère des Affaires culturelles (Laboratoire de recherches des Monuments historiques) dans le cadre de la Commission de la maladie de la pierre. La climatologie et la simulation sont étudiées par le C.R.E.O. (Centre de recherches et d’études océanographiques). La technologie des matériaux et les recherches sur les procédés de protection sont faites par le C.E.B.T.P. (Centre d’étude du bâtiment et des travaux publics), avec la collaboration de l’Institut de géologie de Strasbourg.

Encyclopédie Universelle. 2012.