Mécanisme d'évolution des structures de pores dans le grès sous l'effet couplé des cycles hygrothermiques et d'une solution de Na2SO4

Pourquoi l'effritement des roches importe

En surface, les collines et falaises de grès paraissent solides et intemporelles. Pourtant, dans de nombreuses vallées, réservoirs et coupes routières, ces roches s'affaiblissent en quelques années seulement, provoquant des glissements de terrain et des chutes de blocs qui menacent personnes et infrastructures. Cette étude explore un coupable discret mais puissant : la répétition des cycles d'humidification et de chauffage en présence d'eau salée. En observant comment de minuscules pores à l'intérieur du grès évoluent sous ces conditions, les chercheurs révèlent pourquoi certaines pentes perdent lentement de la résistance et comment les ingénieurs pourraient mieux les protéger.

Pluie, soleil et sel agissant ensemble

Dans de nombreuses régions montagneuses, les pentes de grès sont soumises à un rythme régulier de pluie, de soleil, puis de pluie. L'eau y est rarement pure : elle transporte souvent des sels dissous, dont le sulfate de sodium. L'équipe s'est concentrée sur du grès prélevé sur une pente du district de Wanzhou, Chongqing, Chine, et a préparé de petits échantillons cylindriques. Ils ont ensuite imbibé ces échantillons dans des solutions de sulfate de sodium de trois concentrations différentes, ainsi que dans de l'eau distillée pour comparaison. Chaque échantillon a subi des cycles répétés : une heure d'immersion à température ambiante, une heure de séchage à 60 °C — comparable à la surface d'une roche chauffée au soleil — puis un retour au température ambiante.

Observer le changement interne de la roche

Après chaque série de dix cycles, les chercheurs ont mesuré l'évolution du grès. Ils ont suivi la perte de masse due à l'arrachement de grains, contrôlé la dureté de surface, utilisé des ondes sonores pour sonder la rigidité interne, et appliqué la résonance magnétique nucléaire à faible champ pour cartographier la structure des pores. Sur 50 cycles, les échantillons dans les solutions salines ont perdu plus de masse que ceux dans l'eau pure, la solution la plus concentrée entraînant environ 4,5 % de perte de masse. La dureté a chuté jusqu'à 10 %, en particulier après environ 20 cycles, indiquant que la surface de la roche devenait plus lâche et moins résistante à l'abrasion.

Des pores microscopiques aux cavités plus grandes

Les mesures à l'échelle des pores montrent comment cet affaiblissement se déroule. Au début, lorsque l'eau riche en sel imprègne puis s'évapore, le sulfate de sodium cristallise dans les pores les plus fins. Au départ, les cristaux peuvent en fait combler des vides et donner l'impression que la roche est légèrement plus compacte et que les ondes sonores y circulent plus vite. Mais à mesure que les cycles d'humectation et de séchage se répètent, les cristaux croissent et décroissent sans cesse, exerçant des pressions sur les parois des pores. Cela finit par rompre les cloisons entre pores voisins, transformant de nombreux micropores en moins de pores mais de plus grand calibre, et même en microfissures. La porosité globale augmente, en particulier à des concentrations salines plus élevées, et la vitesse des ondes sonores atteint un maximum autour de 20 cycles avant de chuter à mesure que les dommages s'accumulent.

Le sel, moteur caché de la dégradation des talus

Dans l'ensemble, les expériences montrent que les cycles d'humidité contenant du sulfate de sodium sont un puissant moteur de détérioration des roches. L'eau salée s'insinue d'abord dans les pores existants, puis la cristallisation et la recristallisation les écartent progressivement et les relient entre eux. À mesure que la population de micropores évolue vers davantage de vides moyens et grands, le grès devient plus léger, plus tendre et moins apte à transmettre les ondes — signes d'un réseau interne affaibli. Pour les ingénieurs concevant ou entretenant des talus près de réservoirs, de routes ou de sites patrimoniaux, le message est clair : toutes les eaux ne se valent pas. La teneur en sel et les cycles climatiques de mouillage-séchage peuvent transformer silencieusement un grès apparemment solide en un matériau beaucoup plus fragile, augmentant au fil du temps le risque d'érosion et de rupture.

Citation: Geng, J., Li, X., Wu, Y. et al. Evolution mechanism of pore structures in sandstone under coupled effect of hygrothermal cycles and Na₂SO₄ solution. Sci Rep 16, 10554 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46746-w

Mots-clés: altération du grès, cristallisation du sel, structure des pores, stabilité des talus, cycles de mouillage-séchage