ETUDE POUR LA CONSERVATION DU PATRIMOINE BÂTI
PRINCIPE DE QUELQUES TECHNIQUES D’INVESTIGATIONS NON DESTRUCTIVES
L’inspection visuelle de l’ouvrage est la première étape pour le comprendre et de terminer de ses altérations. Cependant parfois cette première étape nécessite d’être complétée. Les techniques d’investigation sont regroupées en trois catégories selon leur degré de destruction : méthodes destructives, semi destructives et non destructives. Les méthodes non destructives/semi destructives telles que l’auscultation sonique ou les mesures de dureté au scléromètre donnent des indications sur les caractéristiques des matériaux en place. Certaines caractéristiques, comme par exemple la résistance à la compression, nécessitent une destruction partielle de la structure. Le développement de méthodes non destructives et de méthodes faiblement intrusives est encouragé pour éviter d’altérer les structures surtout pour celles à haute valeur esthétique et historique.
LE PACHOMÈTRE
Le pachomètre est un instrument mesurant la perturbation d’un champ magnétique sous la présence de métal. Il permet ainsi de détecter la profondeur d’un corps en métal à l’intérieur d’une structure maçonnée. Cet équipement non destructif est développé à la base pour mesurer les enrobages des armatures de béton armés. Les pachomètres standards utilisé pour le béton couvrent des profondeurs relativement faibles (jusqu’à 10cm).
LE RADAR
Le principe du radar est d’envoyer des ondes électromagnétiques brèves via une antenne émettrice et de récupérer le signal réfléchi par les discontinuités présentes dans le matériau par une antenne réceptrice. En général, les deux antennes se situent dans le même boitier. Une roulette est fixée au boitier et permet de mesurer la distance parcourue par les antennes. Ainsi, il est possible d’extraire des profils radar deux dimensions présentant, la longueur parcourue par le boitier en abscisses, et la profondeur du signal en ordonnée. Les antennes sont reliées à une unité d’acquisition qui assure l’enregistrement du signal. La fréquence du signal est comprise en général entre 200 et 2000 MHz. La résolution des résultats dépend de la fréquence de l’onde électromagnétique.
Les fréquences basses permettent d’étudier le matériau sur une profondeur allant jusqu’à 4m mais présentent une résolution d’image assez faible. A l’inverse, les hautes fréquences permettent d’obtenir des profils radars précis mais sur des épaisseurs plus faibles. Il est donc nécessaire d’avoir une première idée de ce qu’il faut observer afin d’optimiser les paramètres de la mesure.
Ce type d’essai non destructif permet d’obtenir la disposition et l’appareillage de pierre, les épaisseurs des éléments étudiées. Il peut également indiquer la présence de vides, l’état interne et la cohésion des joints et des pierres. Il permet enfin de détecter la présence d’armatures, agrafes et renfort métalliques. Également il est utilisé dans le cadre de la vérification de travaux confortement à l’aides d’injection.
L'AUSCULTATION SONIQUE
La mesure de la vitesse de propagation du son est l’un des essais non destructifs les plus utilisés. Son principe est d’émettre une onde acoustique via un émetteur et de récupérer le signal via un récepteur. L’appareil mesure le temps de propagation de l’onde entre deux points. La vitesse de propagation de l’onde acoustique est ainsi déduite. C’est une grandeur qui permet de caractériser la pierre et la maçonnerie. En effet la vitesse de propagation de l’onde acoustique est reliée à la compacité de la pierre elle-même reliée à sa résistance mécanique. La vitesse de propagation acoustique peut être par ailleurs corrélée au module d’élasticité dynamique. L’utilisation du scléromètre est décrite dans la norme NF EN 14579.
Cette technique permet en outre une étude comparative des différentes zones d’un édifice.
On distingue trois modes de transmission : les chemins directs, semi-directs et indirects. Le chemin direct est à privilégier.
Cette méthode permet en outre de déterminer la profondeur d’une fissure observée en surface et ou de déterminer l’état de conservation du marbre. Notons enfin qu’il est possible d’obtenir un champ de distribution de vitesse du son sur une section en utilisant une technique de tomographie sonique. Il s’agit d’une méthode numérique itérative compilant un grand nombre de données obtenues en surface et permettant de mettre en évidence la structure interne de l’élément étudié.Également cette technique a été mis en œuvre afin de contrôler l’efficacité des injections de coulis qui avaient été réalisées dans des piliers de la cathédrale de Noto en Italie. Les résultats ont montré que les tests soniques peuvent être appliqués avec succès pour le diagnostic et le contrôle de l'efficacité des techniques de réparation.
LE SCÉLÈROMÈTRE
Il a été développé pour l’analyse de la dureté du béton mais il offre de bons résultats sur la pierre. C’est un essai rapide et facile à réaliser. Le principe est de mesurer l’énergie cinétique de rebond initial d’une tige et d’en déduire une mesure de dureté. C’est un moyen rapide de vérifier l’homogénéité des pierres en œuvre. Une bonne interprétation des mesures est indispensable : une dureté de la pierre en surface ne reflète pas nécessairement la dureté au cœur de la pierre. Enfin, avec un calibrage en laboratoire, la mesure de la dureté peut être reliée à la résistance en compression et aux propriétés élastiques de la pierre. Ces mesures peuvent servir de comparatif entre pierre sur un même chantier. Il est conseillé d’effectuer de calculer la moyenne sur la base de dix mesures réalisées sur une pierre. L’utilisation du scléromètre est décrite dans la norme NF EN 12504-2.
LES MESURES COLORIMÈTRIQUES
Les mesures colorimétriques peuvent être effectuées sur des éléments en pierre ou autres (ex : enduits) afin de caractériser leur couleur. Le colorimètre caractérise une couleur à l’aide d’un paramètre correspondant à la luminance et de deux paramètres de chrominance qui décrivent la couleur, les paramètres sont :
L représentant l’indice de clarté, qui va de 0 (noir) à 100 (blanc),
a représentant l’axe rouge (valeur positive) / vert (valeur négative) en passant par le gris (0),
b représentant l’axe jaune (valeur positive) / bleu (valeur négative) en passant par le gris (0).
Le but est de pouvoir prescrire l’élément concerné lors des travaux de restauration la une couleur caractéristique. Des études sont menées entre la colorimétrie de la pierre et son état d’altérations ; dans le cas d’un incendie ou dans le cas de l’influence du soiling
LE DIAGNOSTIC HUMIDITÉ
Les sources d’humidité peuvent être dues au ruissellement, à la poussée du vent, à des problèmes de capillarité, de condensation. Les constatations et les mesures visant à localiser et à quantifier l’humidité dans un bâtiment ont pour but direct de mettre en évidence des causes potentielles et de définir des traitements adéquats.
Mesure in situ et non destructive
Les appareils capacitifs et résistifs, du fait de leur faible coût, de leur facilité et de leur rapidité d’utilisation, sont particulièrement précieux pour le diagnostic. Ils se basent sur la variation de résistivité et de capacitance des matériaux en fonction, entre autres, de leur teneur en humidité. Les appareils résistifs permettent des mesures à faible profondeur par enfoncement de pointes fixées directement sur le boîtier ou sur un porte-sonde relié à l’appareil. Les appareils ‘capacitifs’ s’utilisent par simple contact avec les surfaces et intègrent l’humidité contenue sur une certaine profondeur (quelques millimètres) de matériau.
Cependant pour établir un diagnostic précis et pour savoir exactement l’humidité à l’intérieur du mur, il est nécessaire de réaliser des prélèvements destinés à des pesées comparatives avant et après séchage ou à des mesures plus directes à la bombe à carbure.
Mesure in situ et destructive
Cas 1
Dans la zone envisagée, on prélève la quantité souhaitée de matériau (5 à 20 g). On peut, suivant le cas, opter pour un prélèvement en surface ou dans l’épaisseur des murs.
Après pesée, le prélèvement est introduit dans un récipient hermétique calibré muni d’un manomètre, en y joignant un jeu de billes d’acier et une fiole contenant du carbure de calcium (CaC2) en excès. Le récipient est ensuite fermé hermétiquement, puis agité afin de briser l’ampoule de CaC2 et d’obtenir un contact homogène avec la matière prélevée afin de favoriser la réaction de formation d’acétylène ci-après :
CaC2 + H2O --> C2H2 + CaO
La pression maximale est lue au manomètre et cette valeur transformée en pourcentage d’humidité sur base d’un tableau de conversion fourni avec l’appareillage. La mesure à la bombe à carbure est relativement rapide et les résultats chiffrés sont obtenus directement sur place. Cependant la méthode est destructive et elle est plus appropriée pour des mesures en surface.
Cas 2
La mesure par pesée est simple et précise, mais les résultats ne sont en général pas disponibles immédiatement. La méthode est destructive du fait des prélèvements nécessaires. La précision est directement liée aux soins apportés au prélèvement et à la précision de la balance par rapport à l’échantillon prélevé (balance au 1/100 de gramme pour un prélèvement d’une dizaine de grammes).
Il consiste à prélever les matériaux constitutifs des murs selon des hauteurs et des profondeurs définies. Ce tramage permet de construire le profil de répartition de l’eau en profondeur et sur la hauteur du mur et aide à déterminer l’origine de l’humidité affectant la zone investiguée. Les échantillons sont séchés jusqu’à masse constante dans une étuve à 65°C.
Les poudres prélevées sont conservées dans un sachet hermétique, pesées et mises à l’étuve afin de sécher les prélèvements. La masse de ces échantillons est pesée régulièrement jusqu’à ce qu’elle soit constante. La teneur en eau de l’échantillon est alors déterminée. La formule sert à établir les gradients d’humidité de la zone où ont été réalisés les prélèvements.
LE DIAGNOSTIC DE SELS
Parmi les innombrables sels naturels et synthétiques, seuls quelques dizaines sont fréquentes dans les bâtiments. Ces sels se trouvent en solution aqueuse et sous forme de cristaux composant des efflorescences et des croûtes. On peut constater que les systèmes salins sont constitués par cinq cations (calcium, magnésium, sodium, potassium et ammonium) et quatre anions (sulfate, chlorure, carbonates et nitrate).-
Les tests in situ
Les tests in situ présentent l’avantage de pouvoir être réalisés très rapidement et d’êtrer peu onéreux. Certains sont largement connus et anciens. Le chlorure de sodium, le sel de cuisine, à un gout salé. Le nitrate d’argent met en évidence la présence de chlorure par la formation d’un précipité blanc de chlorure d’argent. L’acide chlorhydrique dilué fait effervescence à froid avec la calcite et permet d’identifier ainsi des concrétions calciques.
La gamme Merkolant, de MERK, reprend le principe du papier pH avec des bandelettes dont la coloration vire en présence d’un ion spécifique lorsqu’elles sont mouillées et appliquées sur un support sec. L’intensité de la coloration est proportionnelle à l’abondance de l’ion, ce qui donne une indication semi quantitative immédiate.
Certains sels sont la particularité d’être alcalins. Il s’agit de carbonates de sodium (natron, thermonatrite et trona) ou de potassium. Un papier pH mouillé appliqué à la surface d’une pierre contenant une faible quantité de l’un de ces sels vire au bleu foncé, indiquant un pH de l’ordre de 9 à 10.
Analyses chimiques
Méthodes de dosages des sels solubles
L’ensemble des laboratoires dosant les sels solubles s’appuient de plus en plus sur le protocole de mise en solution définis dans la norme italienne « normal 13/83, Dosaggio dei Sali solubili » .
Analyses minéralogiques
Les analyses minéralogiques sont basées principalement sur la difractions des rayons X et révèlent les paramètres cristallins des phases cristallines. Comme chaque sel et quasiment tous les matériaux en général, possèdent des paramètres cristallins caractéristiques, il est possible d’identifier précisément les sels présents dans un mélange, même si il est complexe. Cependant l’analyse par diffraction des rayons X a des limites. Elle ne permet pas de déceler les phases mineures d’un mélange, c'est-à-dire celles dont la teneur massique est inférieure à 2 ou 3%. Enfin l’analyse minéralogique est une analyse qualitative ou semi quantitative. Dans le cas d’un diagnostic d’altération et lorsque les teneurs en sels sont très faibles on peut mettre en évidence les cristallisations salines par des observations au microscope électronique. Ces microscopes sont équipés d’un détecteur dit EDS (spectromètre dispersif en énergie) qui détermine la composition chimique élémentaire des phases observées.
Remarque 1 :
Pour remédier aux problèmes des sels lors de travaux de rénovation, des analyses doivent être effectuées pour déterminer leur nature et la profondeur de pénétration dans la maçonnerie. Pour cela des prélèvements doivent être effectuées en surface et en profondeur. La profondeur du prélèvement se fera après observation des désordres sur l’édifice. Les sels peuvent rester en surface ou bien ils peuvent entrer en profondeur dans la maçonnerie et occasionner des désordres plus importants. Les prélèvements s’effectuent à l’aide d’une perceuse (diamètre environ 1.5cm). Les prélèvements sont amenés dans un laboratoire afin d’y effectuer des analyses :
Les prélèvements en surface seront soumis à une analyse par Diffraction des Rayons X en vue de déterminer la nature cristalline des sels,
Les prélèvements en profondeur seront soumis à une analyse suivant le protocole recommandé par la norme italienne NORMAL 13/83. Une fois les ions en solution, une méthode analytique sera utilisée pour doser la quantité individuelle des ions caractéristiques.
Remarque 2 :
Les prélèvements s’effectuent sur le site après l’étude du monument afin de choisir au mieux les zones de prélèvements. Les méthodes d’échantillonnage doivent être étudiées en fonction des essais que vont subir les prélèvements. Différents types d’instruments peuvent être utilisés : le carottage sous eau, le carottage sans eau, perceuse (pour récupération poudre).
LA PIPETTE DE KARSTEN
La mesure d’absorption d’eau sous basse pression, appelée également mesure de la pipe de verre ou mesure à la pipe de Karsten, est une méthode définie par les prescriptions internationales de la RILEM-25 PEM. Celle-ci consiste à mesurer en fonction du temps (90s, 5minutes, 10minutes et 15 minutes) les quantités d’eau (en millilitres) susceptibles de pénétrer dans le support via la surface traitée.
La pipette est constituée d’un réservoir calibré, surmonté par un tube gradué à 0,1ml près. Le réservoir est fixé sur la pierre au moyen d’un mastic réversible. Après remplissage complet de la pipette par de l’eau jusqu’au niveau repère (zéro), le test consiste à déterminer la quantité d’eau absorbée par le support en fonction du temps. Cet essai non destructif et particulièrement facile à mettre en œuvre, renseigne lors d’essais in situ avant et après une hydrofugation de surface, sur l’efficacité intrinsèque du traitement.
LE DRÔNE
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LA PHOTOGRAMMÉTRIE
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