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Applications 1: pollution de l’air · environnement · master environnement · pollution environnement · qualité environnement · développement environnement · gestion environnement · service environnement · action environnement · consultant environnement · recherche environnement · environnement services · environnement écologie · énergie environnement

 

Sur les bâtiments

Les matériaux dans l’environnement urbain pollué

Depuis plus de deux siècles, l'augmentation massive de la production et de la consommation d'énergie, due au développement des industries, des transports et du chauffage, ainsi que le remplacement, comme combustible, du bois par le charbon et les dérivés du pétrole, ont entraîné d'importantes émissions atmosphériques de composés soufrés, soit sous forme gazeuse (SO2), soit liés à des particules (cendres volantes micrométriques, suies nanométriques). Il en a résulté une importante sulfatation des matériaux du patrimoine bâti, surtout la pierre, se manifestant par l'apparition, à l'interface matériaux-atmosphère, de sulfate de calcium hydraté (Gypse: CaSO4, 2H2O). Cette sulfatation est accompagnée d'altérations physiques et esthétiques, selon des modalités complexes dépendant, en plus des concentrations en soufre d'origine atmosphérique, d'autres paramètres tels que l'humidité relative de l'air, l'exposition ou non des matériaux à la pluie, de leur disponibilité en calcium, de leur porosité, de leur rugosité...

La nature chimique et minéralogique, ainsi que les propriétés physiques de la surface des matériaux en cours de sulfatation, influent sur ce phénomène en déterminant uniquement ses modalités, qui vont ainsi sensiblement différer d' une pierre calcaire à une pierre siliceuse, d' une pierre compacte à une pierre poreuse, d' une pierre à un bronze ou à un verre, etc...

Le durcissement de la réglementation ces dernières décennies en matière d'émissions atmosphériques, l’abandon du charbon et la désulfuration des combustibles ont porté leurs fruits: les teneurs en SO2 et en cendres volantes ont considérablement chuté. Cependant, une évolution s'est faite en sens inverse: les teneurs en NOx, provenant de l'oxydation de l'azote atmosphérique lors de toute combustion, et les teneurs en particules très fines, les suies, provenant de la combustion d'autres carburants que le charbon et le fioul lourd (essence, fioul léger, kérosène, gaz naturel...) n'ont pas diminué et occupent désormais le devant de la scène, malgré les efforts importants des motoristes automobiles.

Les pellicules noires fines, lisses et compactes que l'on voit actuellement se développer sur les bâtiments récemment nettoyés ont ainsi remplacé les croûtes noires gypseuses : la salissure noire (soiling en anglais) a remplacé la sulfatation. Par ailleurs, la formation de nitrates à la surface des matériaux, à partir des oxydes d’azote et de l’acide nitrique, est très rarement observée, probablement du fait de leur très grande solubilité dans l'eau, qui les fait disparaître sitôt formés.

L'aspect des façades et des statues

L'observation d'une façade de bâtiment ou celle d'une statue en zone urbaine polluée montre la juxtaposition de parties sombres et de parties claires:

• Les parties sombres sont abritées de la pluie (hormis le cas du développement à la pluie d'organismes de couleur foncée très avides d'humidité). On y note la présence de croûtes grises ou noires qui se révèlent au laboratoire être constituées de particules atmosphériques cimentées par du gypse. La croissance de ces croûtes gypseuses nécessite que les phénomènes qui en sont à l’origine, la sédimentation particulaire et leur cimentation, soit continus. Cela explique que ces croûtes se trouvent dans les zones abritées de la pluie; en effet, une pluie ou un ruissellement peuvent en quelques instants évacuer les particules qui s'étaient déposées depuis la pluie précédente et dissoudre le ciment gypseux embryonnaire qui s'était formé. Cependant, le gypse étant un minéral hydraté, une quantité minimale d'humidité dans l'air (vapeur, microgoutellettes de brouillard) est indispensable à sa formation.

• Les parties claires sont frappées par la pluie directe ou par des ruissellements d'eau. À ces endroits, le matériau est à nu car il est lessivé : il conserve sa couleur originelle. Les particules qui se sont déposées entre deux pluies sont évacuées par la pluie suivante et le ciment gypseux qui a commencé de se développer est dissous : la surface du matériau est à nu ou même érodée.

La sulfatation à l'interface matériau-atmosphère

La sulfatation des façades des bâtiments et des statues en atmosphère urbaine polluée concerne tous les matériaux qui les constituent.

L'apparition du gypse est cantonnée à l' interface entre l'atmosphère contenant du soufre et la surface des matériaux à son contact:

• Le gypse apparaît au dessus de la surface quelle que soit la nature du matériau, calcique ou non : pierres calcaires ou siliceuses, ciments, mortiers, bétons, briques, céramiques, verres, vitraux, métaux, bois, plastiques, peintures... Dans ce cas, la sulfatation se fait de la surface du matériau vers l'extérieur, par apport de soufre sous forme gazeuse (SO2), d' humidité (H2O) sous forme de vapeur ou de micro-gouttelettes contenant éventuellement des composés soufrés et calciques dissous, et par dépôt de poussières diverses (anthropiques, terrigènes, marines, biogéniques...) elles-mêmes éventuellement porteuses de soufre et de calcium. L'ensemble aboutit à la croissance d'une croûte gypseuse, d'abord grise puis s'assombrissant progressivement jusqu'au noir. Parmi les particules atmosphériques, une attention particulière a été portée ces dernières décennies aux cendres volantes, émises principalement par la combustion du charbon et du fioul lourd. Certaines sont en effet porteuses de soufre et de catalyseurs de la sulfatation (V, Ni, Fe...): elles pourraient ainsi jouer un rôle important dans la synthèse du gypse.

• La sulfatation en dessous de la surface vers la profondeur, se fait par transfert du soufre suivant le réseau poreux du matériau, sous forme gazeuse (SO4) et/ou dissous dans l'eau (H2SO4). Cependant, le gypse n'apparaît en dessous de la surface que si du calcium mobilisable est disponible dans le matériau, généralement sous forme de carbonate (calcite: CaCO3) et il apparaît alors par transformation de la calcite, en entraînant souvent d'importants désordres structuraux macroscopiques du fait que son volume molaire est plus grand que celui de la calcite: fracturation, cloquage, détachement de plaques...

Les deux phénomènes de sulfatation au-dessus et au-dessous de la surface des matériaux peuvent être concomitants ou indépendants, en fonction des propriétés de la pierre et des conditions de la pollution atmosphérique:

A -Une pierre calcaire moyennement poreuse comme le calcaire lutétien qui a servi à bâtir les grands monuments (Louvre, Notre-Dame, Saint-Eustache...) et les immeubles hausmanniens de Paris, présente plusieurs formes d'altération en relation avec la pollution atmosphérique:

• les parties à l'abri de la pluie et des ruissellements sont sombres et voient se développer des croûtes gypseuses.

• les parties exposées à la pluie sont claires, lessivées et érodées, mais peuvent aussi présenter une forme originale d'altération structurale: la formation et le détachement de plaques blanches. L'épaisseur de ces plaques (mm) semble correspondre à la profondeur de pénétration de l'eau lors d'une pluie battante qui sature rapidement le réseau poreux superficiel de la pierre avant de ruisseler à sa surface (phénomène du refus). Après la fin de la pluie, pendant la phase de séchage, l'eau s'évapore en profondeur de la roche, entraînant la cristallisation des sels qu'elle contenait à l'état dissous, essentiellement du gypse, développant ainsi un niveau de décollement qui entraîne le détachement de la plaque blanche parallèlement à la surface du mur et indépendamment de la stratification de la pierre. Ce phénomène peut s'observer, par exemple, dans la Cour Carrée du Louvre ou sur l'église Saint-Eustache. Si une importante rugosité superficielle de la pierre se conjugue à une importante pollution particulaire, des particules déposées vont résister au lessivage et des croûtes noires pourront apparaître même dans les parties des façades exposées à la pluie. Ainsi, ce mécanisme d'évaporation-cristallisation va-t-il entraîner le détachement, parallèlement à la surface du mur, d'une plaque non plus blanche mais noire. Ce mécanisme explique la relative minceur des coûtes noires recouvrant ces plaques noires: elles n'ont pas le temps de croître comme leurs voisines abritées de la pluie, puisqu'elles se détachent spontanément et assez rapidement. C'est aussi ce mécanisme "d'auto-nettoyage" qui explique la juxtaposition en puzzle de taches blanches, grises et noires dans ces parties des édifices exposées à la pluie: le détachement d'une plaque noire fait apparaître une zone intacte blanche qui, à son tour, va peu à peu devenir grise puis noire. Les taches blanches du puzzle sont soumises depuis peu au dépôt particulaire, les grises depuis plus longtemps et les noires depuis encore plus longtemps. Une plaque noire comporte de sa surface vers sa profondeur: une croûte noire, une tranche de pierre partiellement sulfatée, le niveau gypseux qui a entraîné son détachement.

B - Une pierre comme le tuffeau de Touraine, très poreuse et très rugueuse en surface, montre aussi de très nombreux exemples de tels puzzles blanc-gris-noir. Ainsi, la cathédrale de Tours et les monuments ou les maisons du Val de Loire, devraient être entièrement noirs s'ils n'assuraient pas spontanément leur "auto-nettoyage" par le détachement régulier de plaques noires. Mais cet "auto-nettoyage", s'il dispense d'une intervention des entreprises d'entretien des façades, a une conséquence économique importante: s'il est inutile de les nettoyer, il faut remplacer les pierres, car chaque détachement de plaque entraîne une perte de matière et un sérieux recul de la surface de l'édifice. L'auto-nettoyage permanent entraîne la nécessité de chantiers permanents de remplacement de la pierre. Le phénomène peut être sensiblement freiné en substituant au tuffeau poreux une pierre moins poreuse comme la pierre de Richemont. La cathédrale de Tours montre encore, par exemple dans le cloître de la Psallette qui lui est adossé au Nord, que les parties abritées de la pluie peuvent montrer elles aussi le phénomène du puzzle blanc-gris-noir: les condensations d'eau sont tellement importantes sous les voûtes de ce cloître que cette eau percole à travers les croûtes noires, pénètre dans la roche sous-jacente et s'y évapore en profondeur selon le mécanisme que nous venons de décrire dans les parties exposées à la pluie.

C - Enfin, un puzzle blanc-gris-noir peut encore apparaître lorsque des remontées capillaires d'eau chargée de sels s'ajoutent à la pollution atmosphérique. C'est le cas par exemple à Venise, à la base des palais construits en pierre blanche d'Istrie où les croûtes noires dues à l'accumulation et à la cimentation des poussières atmosphériques restent adhérentes aux parties des édifices situées à l'abri de la pluie, mais se détachent spontanément en puzzle lorsque les sels des remontées capillaires cristallisent à la base des mêmes édifices qui sont baignés par l'eau de mer.

(wikipedia)

 

 

 

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