Influence de la pluie acide sur les monuments pierreux
Le phénomène de la pluie acide et ses conséquences sont de plus en plus importants ces dernières années. À mesure que le niveau de pollution augmente, ce problème complexe a des conséquences incontrôlables ou incontrôlables pour notre monde, bien que souvent réversibles. Il n'y a pas de solution simple, mais il est nécessaire et urgent d'agir avant qu'il ne soit trop tard ou, malheureusement, même tard.
On a souvent parlé et écrit de l'impact de la pluie acide sur la nature (forêts, ...). À cette occasion, nous parlerons d'une curieuse influence: ce qui est fait aux monuments de pierre, en citant quelques exemples illustratifs. Mais d'abord nous verrons en quoi consiste la pluie acide.
Qu'est-ce que la pluie acide?
En raison du CO2 présent dans l'atmosphère, la pluie est elle-même légèrement acide. Les sources de CO2 ou de dioxyde de carbone sont naturelles et anthropiques (dégradation de la matière organique, combustion, ...). Lors de la dissolution dans l'eau, la réaction suivante se produit:
En raison de l'acide carbonique produit, le pH de la pluie naturelle est d'environ 5,6 (pH = - log [H+]).
D'autre part, dans les zones industrielles et urbaines sont générés d'autres gaz acides, les plus importants sont les oxydes de soufre et d'azote, les plus grands polluants étant le SO2 (dioxyde de soufre) et les NOx (oxydes d'azote (IV) et (II)). La source naturelle de SO2 est l'oxydation du SH2 (source biogénique) et la source anthropique est surtout la combustion, étant l'importance des deux sources similaires. Quant aux oxydes de NOx, bien qu'ils contiennent une source naturelle, le plus important est l'anthropogénique (en particulier la combustion).
Le dioxyde de soufre (SO2) peut être oxydé à l'oxyde de soufre (VI) (SO3), réaction qui se produit grâce à l'oxygène et l'ozone présents dans l'air et catalysé par certaines substances métalliques présentes dans les particules polluantes de l'air. En dissolvant le trioxyde de soufre (ou oxyde de soufre) dans l'eau, il peut se transformer en acide sulfurique par la réaction:
Le pH de la pluie dépend de la concentration de SO3 (inversement proportionnel), et se produit principalement dans les zones urbaines à fort trafic et dans les zones industrielles, comme mentionné ci-dessus. Le pH de l'air change quand il pleut. Initialement, la concentration de SO3 est maximale (pH inférieur). La valeur de pH=3 a été mesurée, ce qui représente une augmentation de 100% de la concentration de protons par rapport à la pluie normale.
On peut écrire des réactions similaires aux oxydes d'azote, mais comme expliqué ci-dessous, le plus grand impact sur les monuments en pierre est le H2SO4.
Pour terminer cette entrée, vous pouvez dire que le problème du dépôt acide n'apparaît pas seulement sous la pluie. Aujourd'hui, on distingue deux parties: d'une part, le dépôt sec, c'est-à-dire particules et gaz (aérosols, métaux, SO4, SO2, ...) et d'autre part, le dépôt humide, dans lequel, en plus de la pluie, on peut introduire la neige, la rosée, le brouillard et la grêle. L'influence de ces derniers n'est pas lente, car dans les nuages on a pu mesurer pH = 1.
Avec quels matériaux les monuments ont-ils été construits ?
Les roches les plus couramment utilisées sont le marbre, le calcaire, le grès et le granit.
Le marbre est une pierre calcaire formée de cristallins de calcite, forme minérale thermodynamiquement stable. Le marbre est une pierre métamorphique qui, à des températures élevées et des pressions, subit un processus de recristallisation devenant un rocher sédimentaire (appelé calcaire). Chimiquement, le marbre et le calcaire sont égaux, mais morphologiquement ils diffèrent dans la mesure et la porosité des cristaux. Les cristaux de calcaire sont plus petits, de sorte que le marbre est plus poreux.
Le grès est plus utilisé pour la construction de bâtiments que pour les monuments. Cette pierre est une pierre sédimentaire formée par des sables. La sédimentation de ces grains de sable peut être produite dans la roche de quartz ou de calcaire.
Le granit est composé principalement de trois minéraux: quartz, mica et feldspath. Les grains de granit sont généralement assez grands et leur porosité est très petite, de sorte que ce matériau est souvent utilisé pour protéger les parties basses des bâtiments de l'humidité.
Influence de la pluie acide sur les pierres
Les monuments les plus vulnérables par la pluie acide sont ceux de calcaire: marbre, calcaire et grès calcaire. La pluie acide n'affecte pas les sables purs ou les granites.
La réaction entre une pierre calcaire et la pluie acide peut être exprimée de manière simplifiée comme:
Les mécanismes qui contrôlent la dissolution du calcite dépendent de certaines conditions : pH, flux hydrodynamique, etc. La gamme de pH la plus intéressante à ce sujet est 4-6, contrôlée par transport et cinétique superficielle.
Il convient de noter que les dommages causés par la dissolution chimique du carbonate de calcium sont surtout un phénomène superficiel. Par conséquent, les reliefs travaillés sur les surfaces peuvent être fortement détériorés par la dissolution superficielle, n'affectant pas la structure inférieure du marbre.
Le problème de la détérioration des monuments ne réside pas seulement dans la dissolution de la calcite. Dans l'équation ci-dessus, on observe que le carbonate de calcium dans les pierres réagit avec l'apparition du sulfate de calcium. Le composé cristallisable sous forme de dihydrate de sel est: CaSO4. 2 H2O (plâtre). Le plâtre est assez soluble dans l'eau. Par conséquent, il ne s'accumule que sur des surfaces qui n'ont pas de flux d'eau direct et ont réagi.
C'est pourquoi les bâtiments en calcaire et les états de marbre présentent une couche de plâtre dans des zones protégées de la pluie. En raison de l'air pollué (poussière, particules de charbon, ...) cette couche de plâtre noircit. Après des années dans cette zone, les pierres calcaires ont un aspect blanc-noir marqué, blanc dans des zones où la pluie nettoie régulièrement le plâtre et noir dans des zones où la pluie ne peut pas le nettoyer, où la couche sombre de plâtre a collé un dépôt sec.
Comme mentionné précédemment, la pluie acide ne réagit pas sur les surfaces sablonneuses et granitiques. Cependant, le dépôt sec est collé en créant une couleur noire uniforme.
Les sels solubles de sulfate et de nitrate (générés dans la réaction entre la pluie acide et les pierres calcaires) sont dissous dans la même eau de pluie. Cette solution est absorbée par la pierre par un mécanisme capillaire. Lorsque la pierre sèche ces sels se cristallisent dans ce système poreux. La pression générée dans ce processus est suffisante pour briser mécaniquement la matrice de la pierre. Par conséquent, la porosité d'une pierre contrôle la quantité de solution qui peut être intériorisée et, en définitive, la durée de celle-ci. Les dommages causés par cette action mécanique peut être plus sérieux que la simple solution chimique de la pierre.
Quelques exemples
La Mairie de Schenectady (N.Y.), bâtiment historique, a été construit en 1930 avec le meilleur marbre du Vermont (équivalent au marbre de Carrare en Italie). Il est tombé presque par la pluie acide. La structure du bâtiment a été affaiblie en raison du plâtre du marbre.
À Pékin (Chine), des monuments de marbre de 500 ans racontent l'histoire de l'empire. Jusqu'à il y a 40 ans on pouvait lire les inscriptions et aujourd'hui on ne peut pas lire. Cela signifie que les dommages ont eu lieu surtout ces dernières années.
Dans les colonnes de marbre des empereurs romains Marcus Aurelius et Traianus on peut observer un phénomène curieux, comme mentionné ci-dessus. Les bas-reliefs traités dans les colonnes représentent les conquêtes de ces empereurs. Dans certains endroits, ces colonnes supportent directement sur elles le flux d'eau de pluie et les dommages décrits varient énormément en fonction des facteurs qui contrôlent la solution chimique du marbre. Ailleurs, en raison de la protection des bâtiments environnants, la surface reste en bon état, même si la colonne a été construite 1800 ans à l'avance.
Conclusions
La détérioration des pierres calcaires se produit principalement par deux mécanismes.
- Solution chimique de calcite
- Les dommages mécaniques causés par la recristallisation des sels solubles générés en solution dans les pores de la pierre.
Le premier mécanisme est important pour préserver les détails superficiels des sculptures. Le deuxième mécanisme, cependant, peut avoir une grande influence sur la détérioration structurelle de la pierre. Il est difficile de distinguer l'influence de chaque mécanisme dans la détérioration d'un état ou un monument.
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