Acoustic characterization and imaging of Carrara marble degradation
Caractérisation et imagerie acoustiques des dégradations du marbre de Carrare
Résumé
This thesis is focused on the characterization and imaging of Carrara marble degradation at different scales by means of acoustic methods.
The first part of this thesis deals with Carrara marble degradation at the material scale. It consists in a laboratory study aiming at characterizing the effects of temperature and relative humidity variations on Carrara marble mechanical properties. For this purpose, the mechanical state of this material is non-destructively followed during thermal, hygric and thermo-hygric cycling by means of nonlinear resonant ultrasound spectroscopy (NRUS). Additionally, microstructural (mercury intrusion porosimetry, adsorption isotherms, observation under optical and scanning electron microscopes) and destructive mechanical characterizations are carried out in order to link the evolution of the parameters measured by NRUS to the changes occurring in marble microstructure.
The second part of this thesis is focused on Carrara marble degradation at the sculpture scale. The objects under study are two Roman sculptures of the Musée Départemental Arles Antique which were exposed to natural weather conditions for centuries in the Roman theater of Arles, France. Their mechanical state is non-destructively assessed by applying acoustic tomography combined with 3D photogrammetric models. A 3D imaging of the ultrasound propagation velocity is reconstructed inside the sculptures in order to investigate their inner cohesion state, to locate their zones of weakness and to estimate the extent of some alterations visible at sculpture surface.
Cette thèse porte sur la caractérisation et l’imagerie des dégradations du marbre de Carrare à différentes échelles par des méthodes acoustiques.
La première partie de cette thèse s’intéresse aux dégradations du marbre de Carrare à l’échelle du matériau. Une étude de laboratoire est menée dans le but caractériser les effets des variations de température et d’humidité relative sur les propriétés mécaniques du marbre de Carrare. L'état mécanique de ce matériau est suivi de manière non-destructive par spectroscopie ultrasonore à résonance non-linéaire (NRUS) durant des cyclages thermiques, hygriques et thermo-hygriques. En outre, des caractérisations microstructurales (porosimétrie au mercure, isothermes d’adsorption, observations aux microscopes optique et électronique à balayage) et mécaniques destructives sont réalisées afin de relier l’évolution des propriétés mécaniques mesurées par NRUS aux changements de microstructure du marbre.
La deuxième partie de cette thèse porte sur les dégradations du marbre de Carrare à l’échelle d’oeuvres. Les objets étudiés sont deux sculptures romaines antiques du Musée Départemental Arles Antique qui ont été exposées aux conditions climatiques naturelles pendant plusieurs siècles dans le théâtre antique d’Arles. Leur état mécanique est évalué in situ de manière non-destructive au moyen de la tomographie acoustique couplée à l’utilisation de modèles 3D photogrammétriques. Une image 3D de la vitesse de propagation des ultrasons dans les sculptures est reconstruite dans le but d’estimer leur cohésion interne, de localiser leurs zones de faiblesse et d’estimer l’étendue de certaines altérations visibles en surface.
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