Caractérisation microstructurale et reconstruction numérique d'un marbre en vue de l'analyse de son comportement thermo-hygro-mécanique

Le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l’Université de Montpellier depuis 1991. Le LMGC compte 130 personnes, dont les activités s’articulent autour de quatre axes de recherche : Solides & Structures, Milieux Divisés , Biomécanique, bois, Matériaux Biosourcés, et Procédés & Transformations de la matière. Deux plateformes de services sont adossées du laboratoire, par ailleurs engagé dans divers projets collaboratifs : laboratoire commun, GRD, et autres projets structurants.

La pierre naturelle occupe une place importante parmi les matériaux de construction, que ce soit dans le bâti ancien, le patrimoine sculpté et architectural, ou comme matériau de structure et de façade dans la construction contemporaine. Son comportement sous sollicitations environnementales cycliques (variations de température et d'humidité) conditionne directement ses performances à long terme (durabilité). Malgré les performances de ce matériau, certaines conditions particulières entraînent des dégradations spectaculaires. Par exemple, certaines plaques de marbre apposées en façade se déforment progressivement (phénomène de « bowing »), au point de se détacher de leur support et de nécessiter un remplacement. Ce phénomène a notamment touché l'Arche de la Défense de Paris, ou bien le Finlandia City Hall à Helsinki (ci-contre), dont le parement en marbre de Carrare a dû être remplacé après quelques années seulement d'exposition.

Le marbre, roche calcitique, est en effet particulièrement sensible  aux variations de températures : la calcite possède un coefficient de dilatation thermique fortement anisotrope, ce qui génère, sous chargement thermique, des contraintes internes aux joints de grains et une microfissuration diffuse. Bien que complémentaires, les effets des variations de la teneur en eau sont encore peu compris dans ce mécanisme. Néanmoins, ce phénomène peut conduire à une dégradation progressive des propriétés mécaniques, thermiques et hygriques du matériau (perte de résistance et de rigidité, déformations, désagrégation saccharoïde, augmentation de la porosité, …) et in fine aux manifestations macroscopiques telles que le bowing ou la désagrégation des surfaces sculptées.

Afin d’améliorer la compréhension de ce phénomène, le/la stagiaire aura pour missions :

1. Caractériser des échantillons de  marbre provenant des carrières de Carrare (texture, orientations cristallines, taille et forme des grains) par le biais de la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés (Electron BackScatter Diffraction, EBSD), en s'appuyant éventuellement sur une caractérisation expérimentale complémentaire (description pétrographique, essais mécaniques, etc.)
2. Générer une reconstruction numérique 2D d'un volume élémentaire représentatif du matériau et valider la représentativité de la géométrie obtenue
3. Mener de premiers essais de modélisation numérique à l'échelle granulaire/multigranulaire du comportement du matériau

En résumé, ce travail vise à établir un modèle numérique représentatif permettant de simuler le comportement mécanique du marbre. Ce faisant, il ouvre sur des questions plus larges : quel est le mécanisme exact qui régit son comportement  sous les variations de température et d'humidité ? Comment pourrait-on agir pour limiter ou contrôler ce phénomène ? Et comment relier les mécanismes observés à l'échelle du grain aux manifestations macroscopiques (bowing, désagrégation, etc) ?

Le projet de recherche associe des chercheurs et enseignants-chercheurs de l'Université de Montpellier, de l'Université d'Aix Marseille et du Centre Interdisciplinaire de Conservation et de Restauration du Patrimoine de Marseille. Le stage se déroulera au LMGC (Montpellier), en lien avec le service EBSD de Géosciences Montpellier pour l'acquisition des données.

Étudiant(e) de Master 2 (ou dernière année d'école d'ingénieur) en génie civil, mécanique des matériaux, ou mécanique numérique, avec un intérêt pour les matériaux de construction et leur durabilité. Une sensibilité à la cristallographie/minéralogie est un plus mais n'est pas indispensable. Une aisance avec un langage de calcul scientifique (Matlab et/ou Python) est nécessaire pour le traitement des données. Autonomie et rigueur attendues, le stage impliquant le traitement de données expérimentales réelles.