Il est indispensable pour comprendre la diagenèse, i.e., la formation des roches sédimentaires, le durcissement des matériaux de construction hydrauliques comme le ciment ou le plâtre, ou la biominéralisation, d'identifier les mécanismes élémentaires de la cristallisation minérale. Le taux de réaction macroscopique des minéraux est généralement déduit de mesures de chimie des solutions. A côté de ces mesures macroscopiques, l'étude de la réactivité des minéraux inclut maintenant l'analyse des mécanismes atomiques a l'origine des réactions chimiques. Cela a été rendu possible depuis deux décennies par l'apparition d'outils capables d'observer des surfaces avec une résolution nanométrique, tels que la microscopie à force atomique et l'interférométrie à balayage vertical. Le gypse et la calcite font partie des minéraux dits mous. Ce sont des minéraux extrêmement répandus, que l'on peut trouver autant dans la nature sous forme de roches sédimentaires que dans le monde industriel. Le gypse (CaSO4,2H2O) est une évaporite dont les applications incluent la fabrication des plaques de plâtre, l'ajout au ciment Portland comme retardateur, l'élaboration du plâtre de Paris et l'amendement des sols. La sélénite ou l'albâtre sont des variétés de gypse utilisés comme matériaux pour l'ornement, mais leur faible dureté limite leur durabilité. La calcite, forme la plus stable de CaCO3, est un des principaux biominéraux, et un des constituants majeurs des roches des réservoirs carbonates, stockant naturellement de l'eau, du pétrole ou du gaz naturel. Quand les organismes biologiques font croitre leur coquille, ils contrôlent la morphologie, la taille, l'orientation et même la phase des cristaux de carbonates de calcium qui la constituent. Cela conduit à des biomatériaux présentant des propriétés physiques et chimiques qui diffèrent significativement de ceux de la calcite inorganique. Une connaissance plus approfondie des mécanismes sous-jacents à la réactivité de surface de la calcite et de l'effet des impuretés sur celle-ci permettra de nous rapprocher de la possibilité de synthétiser des minéraux biomimétiques, aux propriétés comparables à celles de la calcite biogénique. Dans ce contexte, ma thèse s'est développée dans trois directions. Dans la première, j'ai étudié l'influence d'une contrainte mécanique sur les mécanismes de dissolution. Mon objectif dans cette partie a été de tacher de déduire le taux de dissolution macroscopique à partir de la cinétique des mécanismes atomiques. La seconde partie de la thèse, la plus conséquente, a consisté à étudier l'influence d'une contrainte mécanique sur la croissance de la calcite, et à sonder le rôle d'un additif organique lors de cette croissance sous contrainte. Dans la troisième partie, je me suis penchée sur la dissolution de cristaux de calcite à l'aide de mesures topographiques quantitatives sur des aires relativement étendues de la surface des cristaux, dans une large gamme de pH. J'ai en particulier étudié l'influence d'un additif organique sur la dissolution et la cinétique de réaction à grande échelle. Les taux de dissolution macroscopique et microscopique, c'est-à-dire déduits de la dynamique d'évènements moléculaires (croissance de piqure d'attaque, migration de marche atomique), ne sont presque jamais en accord, même qualitativement, et l'élaboration d'une théorie générale liant la cinétique du phénomène aux deux échelles est encore en cours. Je présente ici des taux de dissolution microscopique du gypse, mesures par microscopie par force atomique (AFM), en accord quantitatif avec les taux de dissolution macroscopiques. Cet accord inédit a été obtenu en prenant soin de neutraliser le biais induit par le fait que la pointe AFM applique une force sur la surface qu'elle sonde, et en identifiant avec soin les mécanismes moléculaires majeurs à l'œuvre lors de la dissolution...[etc] / Identifying reaction mechanisms of minerals is fundamental to understand diagenesis, i.e, sedimentary rock formation, construction material, like cement or gypsum, hardening, and biomineralization. The macroscopic reaction rates of minerals are generally deduced from solution chemistry measurements. Beside the measurement of macroscopic reaction rates, the study of the reactivity of minerals includes now the investigation of the atomic mechanisms involved in the reactions. This has been made possible for two decades by the use of tools resolving nanometric objects, such as vertical scanning interferometry (VSI) and atomic force microscopy (AFM). Gypsum and calcite are among soft minerals. They are extremely widespread mineral that can be found naturally in sedimentary rocks. They are also used in many industrial fields. Gypsum (CaSO4,2H2O) is an evaporate mineral. Gypsum uses include: manufacture of wallboards, plaster of Paris, soil conditioning, and hardening retarder in Portland cement. Varieties of gypsum known as "satin spar" and "alabaster" are used for a variety of ornamental purposes; however, their low hardness limits their durability. Calcite, the most stable crystalline form of CaCO3, is moreover important as a bio-mineral and a major constituent of host rock in carbonate reservoirs, which host drinking water and natural oil and gas. When biological organisms grow their shells, they control the crystal morphology, size, orientation and even the crystal phase of precipitated calcium carbonate. This results in materials with physical and chemical properties that differ significantly from those of inorganically precipitated calcite. Gaining more insight into the surface reactivity of calcite and the effect of surface impurities will bring us one step closer to being able to synthesize biomimetic material, which mimic the properties of biogenic calcite. In this thesis, I had three main focus points. In the first part I studied the effect of stress on the dissolution mechanisms. I investigated to deduce the dissolution rate from the atomic kinetics. The second and the most extensive was the study of the influence of stress on the calcite growth and probing the role of an organic additive on the dynamics of calcite growth while applying stress. In the third part I emphasised on quantitative topographic measurements of dissolving calcite crystal over a relatively large and fixed view at vast range of pH. I considered the influence of an organic additive on the dissolution and surface reaction kinetics at this larger scale. Both macroscopic and microscopic dissolution rates can also be deduced from the dynamics of molecular events (etch pit growth, atomic step migration), but they hardly ever agree, even qualitatively, and the elaboration of a general theory linking the kinetics at the two scales is still in progress. I presented here microscopic dissolution rates of gypsum, measured by atomic force microscopy (AFM), in quantitative agreement with macroscopic rates. This agreement has been obtained in taking care to neutralize the bias induced by the force applied by the AFM tip on the surface, and to identify clearly the driving molecular mechanism. The force applied by the AFM tip on the surface has been seen to increase the solubility of the mineral, thereby introducing a bias, so I have always worked with a constant and low applied force. This result shows that the determination, among the topographic changes during the dissolution of a mineral, of the dominant one, and the measurement of its dynamics, may permit deducing from AFM experiments a reliable macroscopic dissolution rate. The transformation of loose grains into a cohesive solid requires the crystallites to grow eventually constrained by the surrounding grains. Whereas never measured, this confinement and the associated stress is expected to influence noticeably the growth, and the final properties of the material… [etc]

Cette étude aborde la formation de gypse résultant de la neutralisation d'une solution d'acide sulfurique par ajout d'une suspension de calcite dans un réacteur semi-ouvert. La phénoménologie et l'impact des paramètres opératoires sont documentés par des prélèvements de solution et de solides analysés hors ligne, qui permettent d'évaluer les écarts à l'équilibre générés à divers stades du mélange et les caractéristiques géométriques du gypse précipité. La solubilité du gypse est évaluée en fonction de la température et de la concentration en sulfate via un modèle de spéciation. Selon les conditions opératoires utilisées, le gypse peut se former à la surface de la calcite par conversion partielle ou en solution par précipitation. La modélisation du procédé est conduite en deux étapes. La conversion est simulée à partir d'un modèle de grain à cœur rétrécissant, adapté pour représenter la dissolution de la calcite et la croissance d'une couche poreuse de gypse. La précipitation en solution est simulée par un bilan de population et résolu par une méthode des caractéristiques. Les paramètres des lois de germination et de croissance sont évalués par un algorithme d'optimisation. Le modèle de conversion rend compte de la sensibilité du processus à l'acidité de la solution et à la taille des particules de calcite. Le modèle de précipitation fournit des profils de sursaturation et de distribution granulométriques simulés cohérents avec les profils expérimentaux. Le contrôle du procédé repose surtout sur l'ajustement de la concentration en acide, qui détermine la vitesse de dissolution de la calcite et la proportion de gypse formé par remplacement.

L'importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l'industrie du bâtiment, dont l'origine n'est pas encore établie. Afin d'en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L'évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d'appui de la pointe de l'AFM ainsi que des additifs utilisés. L'étude de l'influence de la force d'appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (_ 15 nN) on observe un mécanisme d'usure de la surface, tandis qu'à faibles forces (_ 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L'évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte.

Dans le cadre des recherches réalisées au département de Chimie de l'Ecole des mines de Saint Etienne, s'est développée depuis 1968 une technique consistant à utiliser un réacteur à lit fluidisé pour déterminer une cinétique d'adsorption ou de déshydratation. Cette technique diffère des méthodes classiques de la cinétique hétérogène surtout par le fait qu'un écoulement gazeux traverse la couche solide étudiée. Bien qu'il soit nécessaire pour suivre l'évolution d'une réaction d'analyser la phase gazeuse émanant du réacteur, l'utilisation du lit fluidisé présente de nombreux avantages. En particulier, le réacteur est parfaitement isotherme quelle que soit la masse du produit étudié. On ne peut, cependant, éviter les variations de composition de l'atmosphère gazeuse en contact avec le solide, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats expérimentaux

Cette thèse envisage les différents problèmes inhérents à l'association de fibres de bois et de gypse dans le but d'élaborer un matériau composite résolvant une partie des défauts de produits préfabriqués en gypse, aujourd'hui largement employés dans l'édification de cloisons. Dans un premier temps, l'étude a donc été consacrée à l'obtention de données de référence concernant les deux essences de bois choisies (peuplier et pin) : analyse chimique des extraits aqueux du bois, propriétés hygroscopiques, mesure des fibres obtenues par trois méthodes de fragmentation et mesure de la contrainte de cisaillement interfaciale, en étudiant également l'influence d'un traitement thermique de stabilisation du bois, la rétification.<br /><br />Nous avons pu montrer que les extraits aqueux du bois n'ont qu'une faible influence sur l'hydratation du plâtre, au travers de légers retards, sans modification des propriétés mécaniques du gypse. Aucun lien n'a pu être établi avec la nature des molécules extraites du bois.<br /><br />La forme des fibres s'est montrée cruciale pour les propriétés mécaniques du composite ; nous avons pu sélectionner une essence, le peuplier, et une méthode de fragmentation, le défibrage papetier, qui permettent d'obtenir des performances nettement supérieures à celles du gypse. La rétification a montré un effet négatif, puisqu'elle induit une perte de performances par rapport aux fibres naturelles.<br /><br />L'introduction de fibres de bois stabilisées par rétification a pour résultat la stabilisation dimensionnelle du composite, puisqu'on obtient un matériau plus stable que le gypse lui-même.<br /><br />Des essais physiques sur des échantillons plus représentatifs du produit fini ont montré de notables améliorations de ses propriétés.

La cristallisation du sel dans les pores peut conduire à l'expansion d'une variété de milieux poreux, y compris le béton, la pierre ou les sols. Par exemple, les attaques sulfatiques de matériaux cimentaires peuvent conduire à des cristallisations du gypse ou de l’ettringite, qui peuvent causer un endommagement et limiter la durabilité des structures en béton. Une meilleure compréhension de la façon dont la cristallisation induit la déformation des matériaux cimentaires est une condition préalable à la conception de moyens efficaces pour atténuer les effets néfastes de la cristallisation du sel. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre comment la cristallisation conduit à l'expansion, pour les matériaux à base de ciment dans le cas spécifique de la présence d'ions sulfatiques, qui est un cas pertinent pour la compréhension des attaques sulfatiques. La principale originalité de l'étude a été de réaliser des expériences avec des matériaux granulaires compactés dans des cellules œdométriques ou isochores. Les échantillons testés ont été fabriqués par broyage de pâtes de C3S, de pâtes de ciment Portland ordinaire, ou des mélanges des phases dont ces pâtes sont constituées (par exemple, monosulfoaluminate AFm), puis de les compacter dans des éprouvettes cylindriques sur une hauteur de 2 cm. Dans les cellules, les échantillons compactés sont très perméables et peuvent être saturés avec des solutions de sulfate de sodium en moins d’1 heure. Dans une cellule œdométrique, l'échantillon est empêché de se dilater radialement, mais est autorisé à se dilater axialement: nous avons mesuré comment des injections de solutions induisent une expansion axiale. Dans une cellule isochore, l'échantillon est empêché de se dilater à la fois radialement et axialement: nous avons mesuré comment des injections de solutions provoquent le développement de contraintes axiales et radiales. Un point notable des cellules isochores que nous avons développées est que toute solution s’évacue le long de l'échantillon et peut être récupérée: ainsi, à partir des mesures des concentrations et des volumes de solutions d'entrée et de sortie, la quantité de sulfates restant dans l'échantillon au cours des expériences pourrait être déterminée. En parallèle des mesures de déformation/contrainte, nous avons effectué des caractérisations minéralogiques et microstructurales des échantillons en utilisant une variété de techniques, notamment : la fluorescence X, l’analyse thermogravimétrique, la diffraction des rayons X, la résonance magnétique nucléaire d'aluminium et la microscopie électronique à balayage avec analyse aux rayons X. Les évolutions des concentrations de sortie et de la minéralogie au cours du processus d'injection ont pu être bien prédites avec le logiciel CHESS de modélisation géochimique. Les résultats expérimentaux de la campagne, en conjonction avec les résultats des caractérisations minéralogiques et microstructurales, ont permis de révéler quels sont les principaux paramètres qui régissent l'expansion. Grâce à ce protocole original que nous avons développé, l'expansion ou le développement de contraintes a commencé immédiatement après l'injection de la solution, s’est stabilisé au bout de quelques jours à quelques semaines, et la cristallisation a eu lieu de façon homogène sur toute la hauteur de l'échantillon. En outre, nous avons montré que la cristallisation du gypse contribue à l'expansion. Dans les tests isochores, nous montrons que les deux cristallisations d'ettringite et de gypse peuvent induire des contraintes, et que l'amplitude de ces contraintes dépend linéairement du volume de ces cristaux formés. Les conclusions tirées de cette étude expérimentale permettent de mieux comprendre les processus physiques par lesquels la cristallisation induit une expansion ou des contraintes dans des solides poreux, et permettent d’orienter la modélisation des attaques sulfatiques dans les matériaux cimentaires / In-pore crystallization can lead to expansion of a variety of porous media, including concrete, stone, or soils. For instance, sulfate attacks of cement-based materials can lead to crystallizations of gypsum or ettringite, which may cause damage and limit the durability of concrete structures. A better understanding of how crystallization induces deformation of cementitious materials is a prerequisite to designing efficient ways of mitigating the detrimental effects of salt crystallization. In this thesis, we aim at understanding how crystallization leads to expansion, for cement-based materials in the specific case of the presence of sulfate ions, which is relevant for sulfate attacks. The main originality of the study was to perform experiments with granular materials compacted into oedometric or isochoric cells. The tested samples were manufactured by grinding C3S pastes, regular Portland cement pastes, or mixtures of phases of which those pastes are made (e.g., monosulfoaluminate AFm), and then compacting them within the cell into 2-cm-high cylindrical specimens. In the cells, the highly permeable compacted samples could be flushed with sodium sulfate solutions in less than 1 hour. In an oedometric cell, the sample is prevented from expanding radially, but is allowed to expand axially: we measured how injections of solutions induced an axial expansion. In an isochoric cell, the sample is prevented from expanding both radially and axially: we measured how injections of solutions induced the development of axial and radial stresses. A salient feature of the isochoric cells we developed is that all solution flushed throughout the sample could be recovered: thus, from the measurements of concentrations and volumes of input and output solutions, the amount of sulfate remaining in the sample over the experiments could be determined. In parallel to the deformation/stress measurements, we also performed the mineralogical and microstructural characterizations of the samples before and after testing by using a variety of techniques, including X-ray fluorescence, thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, aluminum nuclear magnetic resonance and scanning electron microscopy with X-ray analysis. The evolutions of the output concentrations and of the mineralogy over the injection process could be well predicted with the geochemical modeling software CHESS. Experimental results of the campaign, in conjunction with results from mineralogical and microstructural characterizations, made it possible to reveal what the main parameters are that govern expansion. Thanks to the original protocol we developed, expansion or development of stresses started immediately after the injection of solution, stabilized after a few days to a few dozen days, and crystallization occurred homogeneously throughout the height of the sample. One interesting conclusion is that, even when ettringite crystallizes in macropores, i.e., outside of the C-S-H gel porosity, ettringite can lead to an expansion. Also, we showed that gypsum crystallization contributes to expansion. In isochoric testing, we showed that both crystallization of ettringite and of gypsum can induce stresses, and that the magnitude of those stresses is linearly related to the volume of those crystals formed. The conclusions drawn from this experimental study make it possible to better understand the physical processes through which crystallization induces expansion or stresses in porous solids, and thus to orient the modeling of sulfate attacks in cement-based materials

La dissolution de cavités karstiques appelle à une description multi-échelle. A partir d'une discussion des hypothèses les plus fréquemment utilisées, un modèle à l'échelle du pore (ou micro-échelle) est développé pour des schémas réactifs géochimiques simples. L'impact du choix de conditions aux limites réactives ou équilibre thermodynamique est discuté. Ce modèle à l'échelle du pore est ensuite utilisé pour le développement de modèles aux échelles supérieures. Le premier problème traité considère le transport sur une surface chimiquement hétérogène et rugueuse, caractérisée par une condition mixte pour le transfert de masse. Le modèle résultant est un modèle de surface effective (ESCM). Le concept de surface effective est développé à l'aide d'une méthode de décomposition de domaine. Dans ce contexte, vitesse, pression et concentration à la petite échelle près de la surface sont estimées par une méthode de développement asymptotique par rapport aux champs loin de la surface. Des problèmes de fermeture sont alors obtenus qui sont utilisés pour définir la position de la surface effective et les conditions aux limites effectives associées. L'effet sur les propriétés effectives de la position de la surface, des nombres sans dimension est étudié. Une comparaison entre des résultats numériques à petite échelle avec ceux obtenus par le modèle effectif montre un bon accord. Dans le cas du transport dans un milieu poreux, le deuxième problème de changement d'échelle étudié, une méthode de changement d'échelle basée sur la prise de moyenne spatiale est proposée (PMM) à partir du problème à l'échelle du pore avec des conditions aux limites d'équilibre thermodynamique ou réactives non-linéaires. Une expression générale du modèle macroscopique est obtenue impliquant plusieurs propriétés effectives qui sont données par la résolution de problèmes de fermeture à l'échelle du pore. Pour une cellule unitaire représentative stratifiée, les paramètres effectifs sont obtenus analytiquement ou numériquement, alors que les propriétés pour des cellules plus complexes 2D/3D sont obtenus numériquement. L'impact sur les paramètres effectifs des propriétés physiques à l'échelle du pore (en terme de nombre de Péclet, Damköhler et ordre de la réaction) est étudié pour des cellules unitaires 1D, 2D ou 3D. Un exemple d'application du modèle macroscopique est présentée en mettant l'accent sur l'apport potentiel des termes additionnels non-classiques sur la précision des prédictions. Le modèle macroscopique de dissolution de milieu poreux est aussi utilisé comme un modèle à interface diffuse (DIM) pour décrire la dissolution d'une cavité à grande échelle, une cavité de gypse dans l'illustration traitée dans la thèse. Le modèle est basé sur l'approximation de pseudo-constituant, avec une condition d'équilibre à l'échelle du pore sur l'interface fluide-solide. Une méthodologie numérique est proposée pour choisir correctement les paramètres effectifs du DIM de façon à reproduire avec suffisamment de précision les flux et la vitesse de récession de l'interface. Une étude spécifique est effectuée sur l'impact du choix du modèle de bilan de quantité de mouvement macroscopique. De manière intéressante, les résultats numériques ne suggèrent pas un impact très important de ce choix dans le cas des problèmes aux limites traités. Des calculs ont aussi été effectués, dans le cadre d'une approximation de Boussinesq, pour évaluer l'impact éventuel de mouvements de convection naturelle. Le potentiel de la méthode est illustré dans deux cas: un correspondant à une lentille de gypse dans un aquifère, l'autre au cas d'un pilier isolé dans une carrière souterraine. Les conséquences de la dissolution sur la stabilité mécanique sont étudiées à l'aide d'un modèle géomécanique simplifié. Enfin, un cas test est étudié montrant la possibilité d'utiliser le modèle dans le cas de dissolution d'une cavité saline, matériau plus soluble que le gypse. / The karstic cavity dissolution problems are often studied from a hierarchical point of view. Based on a discussion of the frequently adopted assumptions, a pore-scale model is first developed for a simple geochemistry scheme. The impact of implementing reactive or thermodynamic equilibrium boundary condition at the dissolving surface is discussed. Such a pore-scale model is subsequently used as a basis for developing models at higher scale levels. The first problem deals with transport from a heterogeneous and rough surface characterized by a mixed boundary condition. The resulting macro-scale model takes the form of an effective surface theory. In the homogenized model developed with the effective surface concept (denote ESCM), the original rough surface is replaced locally by a homogeneous and smooth surface, where effective boundary conditions are prescribed. To develop the concept of effective surface, a multi-domain decomposition approach is applied. In this framework the velocity, pressure and concentration are estimated at the micro-scale with an asymptotic expansion of deviation terms with respect to macro-scale velocity and concentration fields. Closure problems for the deviations are obtained and used to define the effective surface position and the corresponding boundary conditions. The evolution of some effective properties and the impact of surface geometry and some dimensionless numbers are investigated. A comparison between the numerical results obtained with this effective model and those from direct numerical simulations with the original rough surface shows good agreements. In the case corresponding to mass transport in porous media, upscaling is carried out with the method of volume averaging to develop a macro-scale porous medium model (denote PMM), starting from a pore-scale transport problem involving thermodynamic equilibrium or nonlinear reactive boundary conditions. A general expression to describe the macro-scale mass transport is obtained involving several effective parameters which are given by specific closure problems. The impact on the effective parameters of the fluid properties, in terms of pore-scale Péclet number (Pe), and the process chemical properties, in terms of pore-scale Damköhler number (Da) and reaction order (n), is studied for periodic stratified, 2D and 3D unit cells. An example of the application of the macro-scale model is presented with the emphasis on the potential impact of additional, non-traditional effective parameters appearing in the theoretical development on the improvement of the accuracy of the macro-scale model. The above developed PMM is also used as a Diffuse Interface Model (DIM) to describe the evolution of a gypsum cavity formation induced by dissolution. The method is based upon the assumption of a pseudo-component dissolving with a thermodynamic equilibrium boundary condition. A methodology is proposed in order to choose suitable parameters for the DIM model and hence predict the correct dissolution fluxes and surface recession velocity. Additional simulations are performed to check which type of momentum balance equation should be used. Calculations with a variable density and Boussinesq approximation were also performed to evaluate the potential for natural convection. The results showed that the impact of density driven flows were negligible in the cases under investigation. The potential of the methodology is illustrated on two large-scale configurations: one corresponding to a gypsum lens contained within a porous rock layer and the other to an isolated pillar in a flooded gypsum quarry. Geomechanical consequences of the dissolution in terms of mechanical stability is evaluated with the help of a simplified geomechanical model. A final case is also studied in which gypsum is replaced by salt to show the applicability of the proposed methodology to a rapidly dissolving material

Ce travail de thèse consiste en l'élaboration d'une méthodologie d'étude de monuments historiques, appliquée au château de Chambord. Il s'agit de mettre en place le carnet de santé de l'édifice, et de le compléter par une expérimentation en laboratoire, afin de réaliser un diagnostic d'altération.Les archives historiques concernant le château ont été rassemblées et analysées pour concevoir des cartographies de dates de pose et de nature des pierres. L'examen in situ des façades a ensuite conduit à réaliser des cartographies d'altération. La synthèse des informations concernant le passé et le présent du monument a permis d'établir une liste des principaux facteurs environnementaux associés aux altérations, de même que la chronologie de leur développement, pour ainsi aboutir à une première estimation des cinétiques de progression.C'est la desquamation en plaques, détérioration courante du tuffeau, à la fois la plus dommageable et la plus complexe, qui a été ciblée pour le diagnostic d'altération. Les analyses physico-chimiques réalisées sur des prélèvements in situ ont conduit à l'identification systématique du gypse dans les fissures des desquamations. Des simulations expérimentales ont été mises en place pour appréhender le rôle du gypse, son mode de transport et son origine. La pollution atmosphérique mettant en oeuvre du SO2 gazeux reproduit bien la distribution du gypse telle que mesurée dans les desquamations en plaques observées au château de Chambord. Un mécanisme incluant ce phénomène a été proposé, pour expliquer le développement de cette altération, et qui pourrait être à la base des prévisions de l'évolution des altérations, afin d'envisager le futur du monument.

Ce travail de thèse consiste en l’élaboration d’une méthodologie d’étude de monuments historiques, appliquée au château de Chambord. Il s’agit de mettre en place le carnet de santé de l’édifice, et de le compléter par une expérimentation en laboratoire, afin de réaliser un diagnostic d’altération.Les archives historiques concernant le château ont été rassemblées et analysées pour concevoir des cartographies de dates de pose et de nature des pierres. L’examen in situ des façades a ensuite conduit à réaliser des cartographies d’altération. La synthèse des informations concernant le passé et le présent du monument a permis d’établir une liste des principaux facteurs environnementaux associés aux altérations, de même que la chronologie de leur développement, pour ainsi aboutir à une première estimation des cinétiques de progression.C’est la desquamation en plaques, détérioration courante du tuffeau, à la fois la plus dommageable et la plus complexe, qui a été ciblée pour le diagnostic d’altération. Les analyses physico-chimiques réalisées sur des prélèvements in situ ont conduit à l’identification systématique du gypse dans les fissures des desquamations. Des simulations expérimentales ont été mises en place pour appréhender le rôle du gypse, son mode de transport et son origine. La pollution atmosphérique mettant en oeuvre du SO2 gazeux reproduit bien la distribution du gypse telle que mesurée dans les desquamations en plaques observées au château de Chambord. Un mécanisme incluant ce phénomène a été proposé, pour expliquer le développement de cette altération, et qui pourrait être à la base des prévisions de l’évolution des altérations, afin d’envisager le futur du monument. / This thesis is dedicated to the establishment of a methodology to study the built cultural heritage, applied to the castle of Chambord. It consists in realizing the health record of the monument, and completing it by an experimental sequence in laboratory, in order to provide a diagnosis of the state of degradation.Historical archives about the castle were gathered and analysed to obtain mappings of dating and nature of stone. By mean of in situ observations, a mapping of degradation has been added. A synthesis of the information concerning the past and the present of the monument allowed establishing a list of the main factors associated to degradations and to a chronology of development of these degradations, so as to estimate their kinetics.Spalling, which is the most damaging and complex usual degradation, has been chosen as case of study for the diagnosis of degradation. The physic-chemical characterisations made on in situ coring lead to systematically found gypsum in spalling’s cracks. Various artificial ageing tests have been performed to enlighten the role of gypsum, its transport mode, and its origin. Atmospheric pollution including gaseous SO2 reproduces well the distribution of gypsum observed in spalling at Chambord. A global mechanism taking into account this phenomenon has been proposed to clarify the development of this degradation.

La formation du gypse (CaSO4.2H2O) dans les bassins marginaux méditerranéens au cours du Messinien est contrôlée par la restriction des bassins et par le cycle hydrologique local. La compétition entre l’évaporation et l’apport d’eau douce par les rivières, en association avec des échanges limites avec la Méditerranée, ont permis la mise en place de conditions chimiques favorables à la formation du gypse. La restriction des bassins entraine, de plus, l’augmentation de la consommation de l’oxygène par les microorganismes, l’anoxie, et la mise en place d’un cycle biogéochimique actif du soufre. Au cours de cette étude, j’utilise la composition isotopique stable du gypse en tant que traceur des cycles de l’eau et du soufre dans les bassins marginaux. Le but est de mieux comprendre les conditions hydrologiques et géochimiques qui ont mené à la précipitation du gypse. Ce problème se place dans un débat actuel de la communauté scientifique, particulièrement depuis que de récents travaux proposent qu’une partie du gypse dans les bassins marginaux aurait pu précipiter à partir d’une colonne d’eau à faible salinité (£ 35 PSU) - hypothèse qui peut sembler peu réaliste d’un point de vue géochimique. J’ai mené une analyse isotopique à haute-résolution des couches de gypse qui composent les alternances cycliques gypse-marnes dans les bassins messiniens de Caltanissetta (BC, Sicile) et du Piémont (BP, nord-ouest de l’Italie). Ces alternances gypse-marnes correspondraient à l’expression sédimentaire des cycles astronomiques de précession (~20 ka), pendant lesquels les bassins marginaux ont subi une alternance de conditions climatiques arides et humides. Le cycle hydrologique a été trace grâce aux mesures des compositions isotopiques de l’oxygène et de l’hydrogène de l’eau de cristallisation des gypses ; le cycle biogéochimique du soufre a quant à lui été trace en mesurent les compositions isotopiques du soufre et de l’oxygène des ions sulfates des gypses. J’ai pu observer que : (1) les isotopes de l’eau piégée dans les gypses sont nettement plus légers que ceux théoriquement attendus pour des gypses ayant précipite uniquement à partir d’une eau de mer, et (2) l’eau du BC est caractérisée par un plus fort déficit en deutérium - compare à sa teneur en 18O - que l’eau du BP. Combine a un modèle hydrologique numérique, ces observations impliquent que (1) la précipitation des gypses est réalisée sous l’influence d’un apport d’eau douce fluviatile important, particulièrement au nord du BP, et est donc caractérisée par de très faibles salinités (27-50 psu pour le BC et 10-42 psu dans le BP) ; (2) le contraste de déficit en deutérium entre les deux bassins résultant de la différence de teneur en deutérium des flux évaporais respectifs, est contrôlée par a une différence d’humidité atmosphérique : cela implique que l’atmosphère au-dessus du BC était plus sèche que celle au-dessus du BP. Nous pouvons alors proposer qu’un gradient latitudinal d’humidité relative similaire à l’actuel existait au Messinien, apportant la preuve d’un climat de type méditerranéen dans la région il y a 5.97 Ma. La composition isotopique des ions sulfate suggère globalement une formation de gypse sous influence marine. Cependant, des divergences observées avec la signature marine messinienne mettent en évidence un cycle biogéochimique du soufre actif, contrôlé par la réduction des sulfates et l’oxydation des sulfures. En particulier : (1) les sulfates du BP enrichis en 18O et 34S sont indicateurs d’une sulfato-reduction dans un système géochimique ouvert ou la perte de 32S est liée a la formation de minéraux soufres sédimentaires ; (2) l’enrichissement (BC) ou l’appauvrissement (BP) significatifs en 18O dans les échantillons alors que la teneur en 34S est la même que celle de l’eau de mer indique une reoxydation de sulfure dans un système géochimique ferme d’un bassin marginal soit évaporait (BC) soit dilue (BP). / The formation of gypsum (CaSO4.2H2O) in Messinian Mediterranean marginal basins is controlled by basin restriction and the local hydrological cycle. Acting together, evaporation, river input and restricted water exchange with the Mediterranean basin bring about the chemical conditions for gypsum formation. Basin restriction also leads to enhanced microbial oxygen consumption, anoxia, and the triggering of active biogeochemical sulfur cycling. In this work I use the stable isotopic composition of gypsum as a proxy of water and sulphur cycling in the marginal basins. The goal is to better understand the hydrological and geochemical conditions that lead to gypsum precipitation. This is an open question, especially since recent work has proposed that part of the gypsum in marginal basins precipitated from a low-salinity (£ 35 PSU) water column - a hypothesis that seems unrealistic based on simple geochemical considerations. I carried out a high-resolution isotopic study of gypsum layers composing gypsum-marl cycles in the Messinian Caltanissetta (Sicily) and Piedmont (north-western Italy) marginal basins (CB and PB, respectively). These gypsum-marl cycles are thought to be the sedimentary expression of astronomical precession cycles (~20 kyr), during which the marginal basins experienced a succession of arid and wet conditions. The hydrological cycle was tracked by measuring the oxygen and hydrogen isotope composition of the gypsum-bound water molecule; the biogeochemical sulfur cycle was tracked by measuring the sulfur and oxygen isotope composition of the gypsum sulfate ion. I observed that: (1) the isotopes of gypsum-bound water are considerably lighter than those expected for gypsum precipitated via evaporation of seawater, and (2) water in the Caltanissetta basin was characterized by a higher deuterium deficit - compared to its 18O content - than water in the Piedmont basin. In conjunction with a hydrological box-model, these observations imply that (1) gypsum precipitation takes place under the influence of large riverine freshwater fluxes, particularly in the North Piedmont basin, that result in very low salinities (27-50 psu in CB and 10-42 psu in PB) and (2) the contrast in deuterium deficit results from atmospheric humidity-drived difference in the deuterieum content of the evaporative flux, implying that the atmosphere over the CB was drier than that over the PB. Thus, a latitudinal relative humidity gradient similar to the modern one existed in the Messinian, providing evidence for a Mediterranean-like climate in the region 5.97 million years ago. The isotopic composition of the gypsum sulfate ion suggests that it originates from coeval sea water. Deviation from the Messinian marine signature, however, highlights an active biogeochemical sulfur cycle driven by sulfate reduction and sulfide oxidation. In particular, (1) 18O- and 34S-rich sulfate in the Piedmont basin indicates sulfate-reduction in a geochemically open system where 32S is lost to sedimentary sulfide minerals, and (2) significant 18O-enrichment (CB) or 18O-depletion (PB), in samples where the 34S concent is that of seawater, indicates re-oxidation of sulphide in a geochemically closed system of an evaporative (CB) or dilution (PB) marginal basin. A strong relation between the hydrological cycle and the biogeochemical cycle is thus highlighted in marginal Messinian basins