Comment les sels font s'effriter les b?timents

Les monuments historiques en pierre sont des aimants à touristes. La cité rupestre jordanienne de Petra, la ville médiévale de Rhodes en mer ?gée ou les temples construits en grès de Louxor en ?gypte, par exemple, sont visités chaque année par plusieurs centaines de milliers de personnes. Ces biens culturels ont un point commun : ils se dégradent. Les sels qui se cristallisent à l'intérieur des matériaux de construction poreux en sont responsables et développent une telle force qu'ils font éclater les pierres ou les font s'effriter. Le même problème se pose également pour les constructions en béton dans notre pays. Des chercheurs de l'Institut des matériaux de construction de l'ETH Zurich ainsi que de l'Université de Princeton ont maintenant reproduit l'effet des sels dans des conditions contr?lées lors d'une expérience. Les résultats doivent notamment aider les protecteurs des monuments historiques et les restaurateurs de biens culturels à faire des prévisions sur le processus d'altération des b?timents.

Les sels peuvent se retrouver dans les matériaux de construction de manières très différentes, explique Francesco Caruso, post-doctorant dans le groupe de Robert Flatt, professeur de matériaux de construction. Le ciment, par exemple, est un composant du béton qui contient toujours du gypse (sulfate de calcium) et des sulfates alcalins. Tous deux sont des sels. Et les sels peuvent également provenir de l'environnement dans les matériaux de construction : par exemple par les eaux souterraines proches de la surface et contenant des minéraux, qui s'infiltrent par capillarité dans les matériaux de construction poreux, ou par le polluant atmosphérique dioxyde de soufre, qui peut réagir avec le calcium dans le calcaire pour former du gypse.

En outre, les embruns d'eau de mer ou les sels de déneigement déposés à la surface de l'ouvrage peuvent également causer des dommages : "Si ces sels sont dissous par la pluie, le liquide salin peut s'infiltrer dans le matériau de construction par les pores ou les fissures", explique Caruso. Si le liquide s'évapore par temps sec, les sels se cristallisent à cet endroit. Des parties de la ma?onnerie peuvent alors être soufflées.

Les différences de température entra?nent un enrichissement

Dans leur expérience de laboratoire, les chercheurs de l'ETH ont utilisé du sulfate de sodium, le sel ayant le plus grand potentiel de destruction connu. Il existe sous deux formes, l'une dite anhydre et l'autre hydrogénée. En plusieurs cycles, ils ont placé des cubes de calcaire de deux centimètres de c?té dans un bain de sulfate de sodium, ce qui a permis à la solution saline de pénétrer dans les pores du calcaire. Ils ont ensuite séché les pierres à haute température avant de les placer à nouveau dans le bain de sel à une température plus basse pour une nouvelle série. Pendant les phases de séchage, le sel s'est cristallisé sous forme anhydre dans les pores des pierres. Au cours des phases de bain de sel, la solution saline a de nouveau pénétré dans les pores et le sel déjà cristallisé s'est de nouveau transformé en solution.

Gr?ce à ce processus cyclique contr?lé, les scientifiques sont parvenus à enrichir fortement le sel à l'intérieur de la pierre et à y obtenir une solution saline sursaturée par rapport à la forme hydrogénée. Par solution saline sursaturée, on entend un liquide dans lequel, en raison de circonstances particulières, il y a plus de sel dissous qu'il ne serait possible dans des conditions normales.

Des découvertes importantes pour les restaurateurs

L'expérience a montré que plus la sursaturation est importante, plus le potentiel de destruction du sel est élevé. Et la température a également joué un r?le : dans les cycles au cours desquels la température n'est jamais descendue en dessous de 25 degrés, il a fallu en moyenne quatre cycles dans l'expérience avant qu'il n'y ait des dommages ; lorsque la température est tombée à 3 degrés, un cycle a suffi. "Il faut ces cycles d'humidité et de sécheresse, mais en fin de compte, c'est la sursaturation qui compte", explique le chimiste Caruso.

Pour un b?timent, cela signifie que si les conditions environnementales sont telles que la solution saline pénètre toujours dans une pierre poreuse et que le liquide peut à nouveau s'évaporer, par exemple en raison d'un fort rayonnement solaire ou de vents violents, le sel peut alors se sursaturer fortement dans le matériau de construction. "Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de disposer de grandes quantités de sel pour causer de gros dég?ts", explique le professeur Flatt de l'ETH. En revanche, lorsque les conditions environnementales sont plus modérées, il faut de plus grandes quantités.

Gr?ce à cette expérience contr?lée, les chercheurs ont pu décrire pour la première fois en détail le phénomène de cette explosion de sel sur le plan physico-chimique et mécanique. "Nous avons montré que l'éclatement du sel et les dommages qu'il provoque sont prévisibles, du moins dans des conditions contr?lées", explique Flatt. Les expériences aideraient par exemple les scientifiques de la restauration et de la conservation à décider quelle quantité de sel doit être retirée d'un b?timent pour éviter les dommages ou - si le sel ne peut pas être retiré - à prédire quand un b?timent subira des dommages.

Les fresques de Michel-Ange et les forages géothermiques

Ces dommages dus à l'éclatement du sel ne sont pas seulement visibles sur les b?timents historiques en pierre. Le sel est également un problème pour les peintures murales comme les fresques de Michel-Ange dans la chapelle Sixtine au Vatican, explique Caruso. Les efflorescences de sel dans la ma?onnerie, dans la couche picturale ou entre les deux entra?nent des dommages.

De même, le problème se manifeste à grande échelle dans les processus d'érosion et les forages géothermiques. "Les explosions de sel forment des paysages rocheux entiers", explique Caruso. Et en 2007, lors de forages géothermiques dans la vieille ville de Stauffen en Brisgau, le sol s'est soulevé, jusqu'à 26 centimètres à certains endroits. Des fissures se sont formées dans des rangées de maisons. Il s'est avéré par la suite qu'en raison des forages dans le sous-sol, de l'eau souterraine s'était infiltrée dans une couche où le sulfate de calcium, un minéral, était présent sous sa forme anhydre. En se combinant avec l'eau, il s'est transformé en gypse. La sursaturation de ce gypse a généré la pression qui a entra?né le soulèvement du sol.

Les chercheurs de l'ETH Zurich souhaitent maintenant appliquer leurs connaissances à un projet dans la vieille ville de La Havane. Le sel y est un problème majeur qui fait que les enduits spéciaux utilisés lors des travaux de restauration s'effritent au bout de quelques années déjà, explique Flatt. Le projet de recherche a pour but de trouver les causes exactes de ce phénomène. En outre, les scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Université de Princeton impliqués dans ce travail de recherche souhaitent trouver des moyens de réduire les éclats de sel, par exemple en modifiant les parois des pores des matériaux de construction à l'échelle nanométrique.