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NNT : 2012 EMSE 0654 THÈSE présentée par Nicolas CONCHA-LOZANO pour obtenir le

NNT : 2012 EMSE 0654 THÈSE présentée par Nicolas CONCHA-LOZANO pour obtenir le grade de Docteur de l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne Spécialité : Sciences de la Terre COMPATIBILITE ET DURABILITE DES PIERRES DE SUBSTITUTION DANS LES MONUMENTS. ASPECTS PHYSICOCHIMIQUES ET VISUELS. soutenue à Alès, le 22 Mai 2012 Membres du jury Président : Erick RINGOT Professeur, LMDC Toulouse Rapporteurs : Joëlle RISS Sylvine GUEDON Professeur, GHYMAC Bordeaux HDR, IFSTTAR Paris Examinateur : Dominique LAFON HDR, Ecole des Mines d’Alès Directeur(s) de thèse : Pierre GAUDON Professeur, Ecole des Mines d’Alès Introduction 1 Introduction 2 Introduction 3 Remerciements Je tiens avant tout à remercier Mme Joëlle Riss et Mme Sylvine Guédon pour avoir accepté de rapporter cette thèse et pour l’ensemble des remarques et commentaires qui ont alimenté la discussion autour de ce travail. Je remercie également Mr Erick Ringot pour sa participation comme président du jury et pour avoir animé la soutenance avec entrain et dynamisme. Cette thèse est avant tout le résultat d’une somme de rencontres et d’échanges et je tiens à remercier tous ceux qui ont contribué directement ou indirectement à son aboutissement. Je commencerai par remercier tout spécialement mon directeur de thèse Pierre Gaudon pour ses qualités pédagogiques hors-pairs, ses qualités humaines, sa disponibilité et surtout pour m’avoir donné sa confiance et son appui dans toutes mes initiatives. Je remercie très chaleureusement mon encadrante Dominique Lafon pour nos discussions passionnantes et passionnées sur la vision, son implication dans ce travail et surtout pour son optimisme et sa bonne humeur qui sont devenus des ingrédients de cette thèse. Un grand merci à toute l’équipe du Pôle Matériaux et Structures du Génie civil et tout spécialement à Alain Diaz, Jean Marie Taulemesse, Eric Garcia-Diaz et Laurent Clerc. Je remercie très amicalement Sylvie Cruvelier, Jean-Serge Bidoret et Sylvie Beuhorry pour l’indispensable logistique matérielle et administrative. Je remercie Nourra Refik-Sabiri et Olivier Eterradossi que j’ai eu le plaisir de côtoyer lors de mes séjours sur le site de Pau. Je remercie également toute l’équipe de Pau pour leur participation enthousiaste aux tests psycho-visuels (un clin d’œil à Guillaume T., Joana, Delphine, Amandine M. et Jane). Je remercie également Gisel de Billerbeck et Jaques Pages pour leur contribution à la description et à la taxinomie de la « colonisation biologique ». Un merci spécial à Amandine, Lucie et Line pour les remarques et retouches finales qui ont amélioré considérablement la présentation de cette étude. Introduction 4 Je tiens aussi à remercier tous ceux qui par leur soutien moral et affectif ont été indispensables à la réussite de cette aventure. Mes plus grands remerciements reviennent à mes parents pour leur soutien et surtout pour la confiance qu’ils m’ont accordée tout au long de ce parcours. Je remercie aussi mon frère Olivier et ma sœur Mariette. Merci spécial à Flo et Manu pour leur présence en toutes circonstances. Je remercie très amicalement Hossein Vahabi, compagnon de thèse depuis le premier jour et dont l’amitié m’a permis de partager le meilleur comme le moins meilleur … Merci pour tout Hossein ! Je remercie « la bande des filles » Audrey, Lucie, Amandine, Rita et Lata pour tous les moments inoubliables passés ensemble. Je remercie également Line, Nico C., Vincent B., Boris, Alex, Diego, Cris, Dung, Rodolphe et Belka. Merci à la petite famille de la coloc de « chez Félix », avec qui ce fut un bonheur de partager le quotidien : Léa, PE, Denis, Vinc T., Fred, Vinc M. et Félix ! Merci à « las amigas de America del Sur » Josephina et Carmen. Et enfin des remerciements spéciaux à Clément, représentant des anciens de Grenoble à la soutenance : Mat, Rems, Flo D., Tom, Guizze et Seb. Introduction 5 Introduction 6 Introduction 7 Sommaire Remerciements .......................................................................................... 3 Résumé ................................................................................................ 13 Introduction générale ......................................................................... 15 Contexte de l’étude............................................................................................ 15 Problématiques générales ................................................................................. 15 Démarche adoptée ............................................................................................ 16 Nomenclature .......................................................................................... 18 Notations ............................................................................................. 18 Glossaire ............................................................................................. 20 Acronymes .......................................................................................... 21 CHAPITRE I : Bibliographie..................................................................... 23 Résumé ................................................................................................ 23 1. Doctrines et pratiques appliquées au remplacement de matériaux ............................................................................................. 24 1.1. Pratiques antérieures aux chartes internationales ...................................... 24 1.2. Les chartes internationales ......................................................................... 25 1.3. Exemple d’application et évolution des pratiques ....................................... 26 2. L’alteration des pierres en œuvre ................................................ 27 2.1. Altération, dégradation et durabilité de la pierre ornementale. ................... 28 2.2. La compatibilité des matériaux de substitution ........................................... 30 2.3. Formation de la patine ................................................................................ 31 3. Couleur des minéraux et grandeurs photométriques. ............... 35 3.1. Couleur des minéraux. ............................................................................... 35 3.2. La coloration par les oxydes ....................................................................... 39 3.3. Radiométrie et photométrie ........................................................................ 40 4. Perception visuelle et techniques d’affichage ............................ 44 4.1. Le système visuel humain .......................................................................... 44 4.2. Le codage de l’information visuelle ............................................................. 49 4.3. L’affichage d’images à l’écran .................................................................... 50 Conclusion .......................................................................................... 52 CHAPITRE II : Matériels et méthodes ..................................................... 55 1. Matériaux étudiés ........................................................................... 56 1.1. Pierre du Bois des Lens ............................................................................. 56 1.2. Localisation des carrières et des monuments ............................................ 56 1.3. Sites étudiés ............................................................................................... 58 1.4. Méthodes d’échantillonnage ....................................................................... 62 Introduction 8 2. Analyses pétrographiques ............................................................ 64 2.1. Composition Elémentaire ........................................................................... 65 2.2. Composition minéralogique ........................................................................ 65 2.3. Analyses thermogravimétriques (ATG) ....................................................... 65 2.4. Description du réseau poreux ..................................................................... 66 2.5. Réflectance spectrale ................................................................................. 70 3. Acquisition d’image ....................................................................... 71 3.1. Capteur CMOS ........................................................................................... 71 3.2. Bruit Noir et linéarité ................................................................................... 73 3.3. Calibration de l’APN ................................................................................... 74 3.4. Conditions de prise de vue et mire ............................................................. 76 4. Affichage d’images calibrées ........................................................ 77 4.1. L’écran ........................................................................................................ 77 4.2. Calibration de l’écran .................................................................................. 79 4.3. Opérateur de rendu et correction d’éclairage. ............................................ 79 4.4. Affichage des images calibrées .................................................................. 82 CHAPITRE III : Patines de la pierre du Bois des Lens ........................... 86 Résumé ................................................................................................ 86 Introduction ......................................................................................... 87 1. La pierre des Lens non altérée ..................................................... 87 1.1. Description pétrographique : une diversité de faciès .................................. 88 1.2. Composition élémentaire et minéralogique : Une homogénéité de composition ....................................................................................................... 90 1.3. Propriété de transfert d’eau : Une faible variabilité ..................................... 91 2. Les différents types de patine ...................................................... 93 2.1. Couleurs des patines .................................................................................. 93 2.2. Les patines d’ouvrages dégradés : le rôle du gypse................................... 96 2.3. Les patines de carrière : une colonisation biologique omniprésente .......... 98 2.4. Les patines d’ouvrages bien préservés : le rôle des d’hyphes de lichens .104 3. Stratifications chromatiques ....................................................... 111 3.1. Colorimétrie : identification des couleurs dominantes ................................111 3.2. Analyse spectrale : hypothèses sur les composées chromophores ..........114 3.3. Origine des changements de couleur : les mécanismes proposées ..........116 Conclusions ...................................................................................... 117 CHAPITRE IV : Effet protecteur des hyphes de lichens. ...................... 122 Résumé en français.......................................................................... 122 Abstract ............................................................................................. 125 Research aims .................................................................................. 126 Introduction ....................................................................................... 126 1. Materials and Methods ................................................................. 127 Introduction 9 1.1. Sampling method .......................................................................................127 1.2. Physicochemical characterizations ............................................................129 1.3. Pore network molding ................................................................................129 1.4. Water transfer properties ...........................................................................130 2. Results and Discussions ............................................................. 131 2.1. Petrophysical properties of unweathered Bois des Lens oolitic limestone .131 2.2. Weathering forms of well preserved building .............................................132 2.3. Weathering forms of deteriorated buildings ...............................................134 2.4. Waterproofing effect of intra porous organic matter...................................136 2.5. Sulfur diffusion barrier ...............................................................................138 Conclusion ........................................................................................ 140 Acknowledgments ............................................................................ 142 References ........................................................................................ 142 CHAPITRE V : Acquisition et affichage d’images calibrées pour la comparaison visuelle des pierres. ......................................................... 146 Résumé .............................................................................................. 146 Introduction ....................................................................................... 147 1. Evaluation de la calibration ......................................................... 148 1.1. Evaluation de la calibration de l’Appareil Photo Numérique ......................149 1.2. Evaluation de la calibration de l’Ecran .......................................................154 1.3. Evaluation conjointe de l’Appareil Photo Numérique et de l’écran.............155 2. Evaluation de la correction d’éclairage. .................................... 157 2.1. Principe d’une correction d’éclairage .........................................................157 2.2. Evaluation de la correction d’éclairage. .....................................................158 2.3. Résultats de l’évaluation ............................................................................160 3. Exemples d’application ............................................................... 164 3.1. Affichage simultané d’images à comparer .................................................164 3.2. La distance d’observation : Effet sur le contraste maximum ......................165 3.3. Remplacement virtuel : prise en compte de l’éclairage local .....................166 Conclusions ...................................................................................... 168 CHAPITRE VI. Détermination de gammes de couleur esthétiquement compatibles pour le remplacement des pierres dans les monuments. . 170 Résumé en français.......................................................................... 170 Abstract ............................................................................................. 172 Introduction ....................................................................................... 173 1. Experimental section ................................................................... 175 1.1. Camera calibration ....................................................................................175 1.2. Screen calibration ......................................................................................177 1.3. Calibration accuracy estimation .................................................................180 Introduction 10 1.4. Studied site ................................................................................................180 1.5. Visual Test .................................................................................................181 2. Results and discussion ............................................................... 184 2.1. Accuracy of color rendering .......................................................................184 2.2. Colors of the Aigues-Mortes Walls ............................................................186 2.3. Color Thresholds .......................................................................................186 2.4. Perspectives ..............................................................................................188 Conclusion ........................................................................................ 189 Acknowledgments ............................................................................ 190 References ........................................................................................ 190 Conclusions générales .......................................................................... 196 Principaux résultats ......................................................................... 197 Perspectives ..................................................................................... 199 REFERENCES ...................................................................................... 203 ANNEXES .............................................................................................. 214 1. Chartes Internationales ............................................................... 215 1.1. La charte de Venise de 1964 .....................................................................215 1.2. La Charte d'Athènes de 1931 ....................................................................221 2. Les courbes colorimétriques LMS et XYZ ................................. 227 3. Simulations Phreeqc .................................................................... 229 3.1. Eau pure saturée vis-à-vis de la calcite .....................................................229 3.2. Eau pure saturée vis à vis de la calcite et du gypse ..................................230 4. Fiche technique Rocamat pour la pierre des Lens ................... 231 5. Evaluation de la calibration ......................................................... 232 5.1. Calibration de l'APN uploads/Geographie/ concha-lozano-nicolas-diff.pdf