Compréhension des mécanismes de stabilisation des déformations hygriques et hydriques des minéraux argileux en présence de surfactants

  • Doctorant : Loren Masson
  • Ecole Doctorale : IFSTTAR/GERS/SRO
  • Pôle(s) scientifique(s) : Pierre

Sujet et description

Financement : IFSTTAR/LRMH

Les effets de différents traitements testés dans la littérature (par exemple à l'aide de gélatine, extrait de henné, diaminoalcanes, polyéthyleimine, saponine, dopamine, triton X100 et bétaïne) n'étant pas parfaitement compris, le but de cette thèse est de comprendre l'inhibition des déformations des matériaux argileux par l'ajout de tensioactif(s) et/ou surfactant(s), pour ensuite optimiser un traitement adapté aux différents types d'argiles.

Les argiles présentes dans la terre assurent la cohésion du matériau terre crue, mais sont également responsables de certaines pathologies (fissures, pertes de matière par desquamation). Il en est de même dans la construction en pierre contenant une fraction argileuse. Par leur structure, les argiles développent pour la plupart une charge négative à la surface de leurs feuillets : ce phénomène explique que les argiles sont particulièrement sensibles à l'eau, car elles vont attirer les cations hydratés du milieu à leur surface pour compenser la charge. Les argiles sont donc sensibles à l'eau quel que soit son état (liquide, vapeur) via l'hydratation/déshydratation des cations à leur surface, cmplétée par l'hydroxylation des sites de surface sur la bordure des feuillets. Certaines familles d'argiles (notamment les smectites) gonflent en présence d'eau et se contractent en période de sécheresse : la répétition de ces cycles d'humidification/séchage entraîne des contraintes au niveau des matériaux, qui finissent par se fissurer et perdre de la matière.

C’est pourquoi, réduire la sensibilité à l’eau est important pour limiter les désordres, aussi bien sur le bâti ancien, pour le restaurer et mieux le conserver, que sur le bâti neuf, pour prolonger sa durée de vie et augmenter les délais entre les entretiens du bâti. Pour ce faire, des tensioactifs et/ou surfactants sont utilisés directement sur la terre crue ou sur la pierre, mais aussi sur des argiles pures. Les tensioactifs et les surfactants sont des molécules amphiphiles, c’est-à-dire qu’elles présentent deux parties avec des affinités différentes : une tête polaire/hydrophile et un corps apolaire/hydrophobe (Figure 1). Les tensioactifs permettent de modifier la tension de surface [1] entre deux corps (dans notre cas l’argile solide et l’eau liquide), modifiant les propriétés de mouillabilité [2], mais aussi de faciliter l’émulsion ou le mélange de deux phases non miscibles initialement (eau et huile). Quant aux surfactants (qui peuvent également avoir un rôle de tensio-actif), leur mécanisme d’action est basé sur l’échange des cations interfoliaires (compensation de la charge permanente négative de manière quasi définitive) pour limiter la prise en eau et les variations dimensionnelles des minéraux argileux : l’affinité du minéral argileux étant plus importante avec le surfactant qu’avec l’eau, quand l’eau atteint l’espace interfoliaire, elle n’est pas retenue et le minéral argileux ne gonfle pas (action sur le gonflement cristallin des argiles).

Figure 1 - Représentation schématique d'une molécule de surfactant/tensioactif


[1] Ou tension superficielle. Caractérise le contact entre deux fluides. https://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_superficielle

[2] Caractérisée par l’angle de contact entre la surface solide du matériau et la goutte d’eau à la surface du matériau. Plus l’angle de contact entre les deux milieux est important et plus la surface est hydrophobe (jusqu’à la formation d’une goutte ronde à la surface du matériau pour une surface non mouillable). Au contraire, plus l’angle de contact est faible et plus la surface est hydrophile, la goutte d’eau va s’étaler à la surface du matériau.

Direction : Jeanne-Sylvinne GUÉDON, Ann BOURGÈS (LRMH)

Partenaires : -

Collaboration : -

Encadrement : Jean-Didier Mertz, Myriam Duc (IFSTTAR-SRO)

Durée : 2018-2021

Date de soutenance : -