Durabilité
Un article de TerraWiCotta.
Différents phénomènes peuvent entacher la durabilité de la terre cuite. Ils sont examinés dans les paragraphes suivants : la résistance au gel, la résistance aux fumées, la résistance aux sels expansifs. On donne aussi quelques informations sur la tenue des mortiers.
Sommaire |
Résistance au gel
Comme tous les matériaux de construction poreux, les terres cuites peuvent être sensibles au gel. Sur les produits dégradés, on observe une desquamation progressive qui se développe avec le temps, provoquant exfoliation, écaillage, feuilletage et fissures.
Mécanisme de dégradation au gel
L’eau en se solidifiant diminue de densité (Tableau 57), ce qui produit une expansion de volume de 9 %.
Tableau 59 Densités de l'eau sous différentes phases
C’est ce phénomène qui fait casser une bouteille d’eau remplie à ras bord, bouchée fermement et exposée au gel. La terre cuite est un matériau poreux avec principalement une porosité ouverte et une faible porosité fermée. La porosité ouverte peut se remplir d’eau partiellement. On a vu que si on trempe une terre cuite dans l’eau à température ambiante et à pression atmosphérique, elle va absorber de l’eau avec le temps jusqu’à un certain taux (volume d’eau / volume des porosités totales), appelé taux ou degré de saturation et généralement bien inférieur à un. Selon les produits, les taux de saturation sont différents. Une situation plus sévère est obtenue quand l’imbibition est réalisée à l’eau bouillante à pression atmosphérique. La pression interne des pores, qui est 1 atm. à 100 °C, comprend principalement de la vapeur d’eau et de l’air chaud. Au refroidissement, la pression résiduelle de l’air refroidi et de la vapeur d’eau condensée dans les pores est beaucoup plus faible que la pression atmosphérique et la pénétration de l’eau est facilitée. On peut aussi réaliser l’imbibition sous pression, à température ambiante ou à plus haute température. Une imbibition complète est obtenue quand elle s’effectue sous vide : on expose d’abord la terre cuite au vide dans une enceinte de façon à vider complètement les pores, puis on introduit l’eau de l’imbibition. On peut donc réaliser différentes imbibitions, plus ou moins sévères, en travaillant non sous vide absolu mais sous vide partiel. Quand la terre cuite n’est pas saturée (en principe quand le taux de saturation est < 90 %), l’augmentation de volume de l’eau trouve sa place dans les espaces non remplis des porosités. Un taux de saturation faible après trempage simple est donc déjà un premier indice de résistance au gel d’une terre cuite. On considère parfois que cet indice devrait être plus petit que 75% environ pour garantir la résistance au gel. Si par contre la terre cuite est proche de la saturation, le front de solidification, qui se développe à partir de la surface la plus froide, va chasser l’eau liquide excédentaire devant lui. Si la vitesse du front de solidification est lente, l’eau pourra s’écouler à travers les porosités devant le front. Si la vitesse est plus rapide, l’eau aura plus de mal à s’écouler dans les pores et une zone de surpression va se créer dans l’eau des pores, en fonction de leurs taille, longueur et distribution. Ceci forcera l’eau plus activement dans les petits pores, mettra aussi la terre cuite sous pression interne et induira des gonflements élastiques de la matière. On observe ainsi qu'une terre cuite exposée à des cycles gel/dégel se remplit plus d’eau que la même terre cuite qui séjourne dans un bac d’eau pendant la même durée. Le taux de saturation augmente avec les cycles. Cette constatation est spécialement importante pour les tuiles siliconées. Par simple trempage, la prise d’humidité et le taux de saturation restent faibles. Par contre ils augmentent de façon importante avec des cycles de gel/dégel. Cette augmentation de pression ainsi que la taille réduite des pores et les phénomènes de capillarité associés vont provoquer une baisse de la température de solidification de l’eau, de 0 °C à l’air libre vers -3 à -4 °C dans la céramique. Dans une tuile, l’eau ne gèle pas à 0 °C mais à quelques degrés plus bas. Si la saturation en eau est plus élevée et la vitesse du front encore plus rapide, les déformations et les contraintes ne restent pas élastiques et la terre cuite peut se fissurer à certains points de façon à accommoder les contraintes. Ces dégradations restent limitées car la pression dans les pores baisse très vite. Ces petites dégradations vont cependant croître à chaque cycle endommageant. On voit donc que la dégradation éventuelle au gel exige la coexistence de :
- une terre cuite saturée d’eau ; pour une tuile, ceci n’est obtenu qu’après une forte exposition à l’eau (pluie, neige fondante) suivie de quelques cycles de gel/dégel sans séchage intermédiaire. Les briques apparentes sont plus ou moins exposées à la pluie : expositions sévères (acrotère, mur de soubassement, etc.), expositions modérées (mur sous avant toit, mur intérieur, etc.). En exposition sévère, la saturation est possible ;
- des cycles de gel/dégel à suffisamment basse température et en nombre suffisant pour saturer la tuile et geler. Sur la figure 63, on voit la carte de France du gel, avec le nombre de passages annuels à 0°C observés par an. Le nombre de cycles de gel/dégel, qui est la moitié, est au maximum de 36 par an (hors montagne). Le nombre de cycles à -4°C est plus faible.
- en cumulant les deux exigences, on s’aperçoit que le nombre annuel de cycles critiques (réalisés alors que la tuile est saturée) est beaucoup plus limité. Par exemple à Limoges, on ne note que quelques cycles critiques (par exemple 5) par an alors que le nombre de cycles de gel est proche de 30).
Un point important qui limite l'écoulement de l'eau devant le front de solidification est la taille des pores. A porosité égale, les tessons à pores fins vont offrir plus de résistance hydraulique et vont subir plus de pression interne. Ils sont plus sensibles au gel. On établit donc souvent une liaison entre la résistance au gel et la taille des pores :
- selon Maage , une grande proportion de pores d'un diamètre plus grand que 3 µm assure une bonne résistance au gel ;
- de façon similaire, Bentrup pense que le diamètre moyen des pores doit être supérieur à 1 µm pour une bonne résistance alors que Albenque au CTTB recommande 2 µm ;
- une publication récente établit une relation entre le rayon moyen des pores et le nombre de cycles de résistance au gel. Dans une argile ferrugineuse, l'auteur réalise des tessons avec différentes tailles de pore par des additions variées et il établit une nette corrélation entre les deux paramètres. Pour résister à 70 cycles de gel/dégel, avec le test effectué, il lui faut un diamètre moyen supérieur à 2,4 µm (Figure 64).
Figure 62 Carte de France du nombre de cycles gel/dégel
Tests de résistance au gel
Selon les produits et les pays aux climats variés, différents tests de résistance au gel ont été développés. Ils sont assez similaires dans leur principe : l'échantillon de terre cuite est imbibé d'eau ; il est alors soumis à un certain nombre de cycles gel/dégel. A la fin du test, on examine l'état de l'échantillon testé. Par contre dans le détail, ils varient selon le mode de l’imbibition (immersion, aspersion, emploi du vide), le type du front de gel (directionnel ou non), les vitesses de variation de température, le niveau d’automatisation, les critères d’évaluation (altération visuelle, changement de poids, variation des propriétés mécaniques). Les températures extrêmes de cycles sont généralement +20 °C et -15 °C. Les différences de conditions expérimentales correspondent partiellement aux conditions d’emploi des produits et partiellement à l’histoire du développement de ces tests. Selon les produits et les pays, le nombre de cycles que doit subir l'échantillon sans dommage notable varie de 25 à plus de 150.
Figure 63 Résistance au gel en fonction du rayon médian des pores
Pour améliorer la résistance au gel au niveau du tesson, les solutions du producteur se trouvent dans le contrôle des porosités par l’emploi approprié de dégraissant et dans une cuisson à haute température.
Résistance aux fumées, condensats acides et atmosphères polluées
Les produits de terre cuite peuvent être exposés à des conditions corrosives. Il peut s’agir d’expositions à des produits très corrosifs, mais généralement avec des temps limités. Il s’agit aussi de la corrosion atmosphérique, avec des milieux moins corrosifs mais avec des durées beaucoup plus longues. Par la présence de silice, la terre cuite présente une bonne résistance cependant, en milieux acides, les composés contenant des alcalins, alcalinoterreux et du fer sont plus rapidement attaqués. Certains pavés utilisés à l’extérieur dans l’industrie chimique doivent résister à des débordements d’acide. Pour les tester, on les réduit en poudre (500 / 800 µm) et on trempe cette poudre pendant 1 heure dans un mélange bouillant d’acide sulfurique (10 %) et d’acide nitrique (10 %). La perte de masse est alors mesurée et doit être inférieure à 7 % . Les boisseaux pour conduit de cheminée en terre cuite doivent aussi résister aux condensats acides des fumées. Pour les tester, on immerge des morceaux dans une solution d’acide sulfurique (70 %), à 100 °C, pendant 6 heures ; l’attaque doit être inférieure à 2 ou 5 % de la masse initiale selon la température d’emploi du boisseau. Les produits de terre cuite résistent bien à la corrosion des polluants atmosphériques. La dégradation provient de l’attaque chimique des pluies acides provoquées par les oxydes d’azote et les oxydes de soufre. Ces milieux sont beaucoup moins actifs que les précédents, les vitesses d’attaque sont plus faibles mais les temps sont plus longs.
Résistance aux sels expansifs
La présence de sels dans la terre cuite, comme dans les autres matériaux de construction poreux, est néfaste sous différents aspects. Leur première influence est d’augmenter les concentrations d’humidité stationnaire dans les terres cuites qu’on observe dans les isothermes d’absorption. La conductivité thermique est augmentée. Le NaCl est le plus hygroscopique. Il augmente la viscosité et la tension de surface. Par ailleurs les sels conservent l’humidité dans la terre cuite plus longtemps puisqu’il faut des humidités de l’air plus basses pour sécher les solutions salines. Par ailleurs les matériaux de construction peuvent être endommagés par les sels solubles quand ils précipitent à l’intérieur du matériau, sous forme de crypto efflorescence. Les sels qui peuvent provoquer des dommages dans les matériaux sont les sulfates (Na2SO4, CaSO4, MgSO4…), les chlorures (NaCl, CaCl2), les carbonates (Na2CO3, K2CO3, CaCO3…) et les nitrates (Mg(NO3)2, Ca(NO3)2…). On peut observer des fissures, des délaminations, des cloques, de la formation de poussière…Ce mécanisme de dégradation est encore mal connu. Une première explication des dégradations est liée aux contraintes de l’expansion/retrait des sels solubles expansifs en cours des cycles d’hydratation/déshydratation. Selon le mode des séchages, le sel se concentre sur une zone interne d’évaporation où il se déshydrate partiellement. A la réhydratation, des contraintes d’hydratation sont créées car le volume spécifique augmente. De façon très schématique, on indique au tableau 60 les expansions provoquées par les hydratations de quelques sels.
Tableau 60 Expansion de sels à l’hydratation
Une autre explication réside dans l’existence d’une pression de cristallisation quand des sels cristallisent dans des pores de petite taille, de façon similaire à la pression capillaire. A cause du diamètre du pore et de la pression, la concentration d’équilibre de sel est plus élevée qu’elle ne le serait hors du pore. En ce qui concerne maintenant la terre cuite de façon spécifique, elle est plutôt bien placée par rapport à d’autres matériaux de construction poreux :
- les pores de la brique sont nettement plus gros et les pressions sont inversement proportionnelles aux diamètres.
- Les nitrates et carbonates n’existent plus dans la terre cuite. Ils ont été détruits par la cuisson. Ces sels ne peuvent apparaître que par remontées capillaires, que l’on supprimera en interposant une couche anti-remontée capillaire ;
- Pour les chlorures, il faut s’efforcer de limiter leurs apports au mieux (embruns marins, projections de sels de déverglaçage, remontées capillaires, lavage du sable de mer) ;
- On a déjà parlé des sulfates pendant la discussion sur les efflorescences. Le contrôle des efflorescences devrait entraîner le contrôle des problèmes de sels expansifs. La norme brique demande de déclarer les concentrations en sels actifs qui incluent la concentration en magnésium. Le sulfate de magnésium peut en effet provoquer des crypto efflorescences néfastes pour la terre cuite.
Attaque des mortiers et enduits par les sulfates
Il faut parler de l’action corrosive des sulfates sur les mortiers et enduits. Cette attaque ne concerne pas directement la brique mais le mortier associé ; comme la brique peut participer au mécanisme de dégradation du joint de mortier, le briquetier doit connaître quelques données sur le sujet. Cette attaque est heureusement très rare et lente à se développer. L’attaque des sulfates sur les mortiers de hourdage est causée par la réaction de sulfates solubles, sur un des composants du ciment Portland, l’aluminate tricalcique (C3A), pour former un sulfo-aluminate de calcium (ettringite). Le mortier se déforme alors, s’émiette et se fissure. Cette réaction ne se produit que s’il existe une teneur suffisante en C3A, ce qui est la situation habituelle du ciment Portland. Le risque est grandement réduit par l’utilisation de « ciment résistant aux sulfates », où la teneur en C3A est limitée. Ces sulfates solubles peuvent avoir différentes origines, dont la brique elle-même. L’attaque ne se produit que si la teneur en sulfate libre de la brique est élevée et s’il y a un cheminement d’eau important dans la maçonnerie pendant une longue durée (infiltrations importantes d’eau de pluie, remontées capillaires importantes sans coupure de capillarité). Elle ne s’observe donc que dans les maçonneries soumises à des expositions sévères selon la dénomination de la résistance au gel. Pour ce prémunir contre ce danger, il faut donc protéger la maçonnerie le mieux possible de la saturation. On pourra utiliser des mortiers plus dosés en ciment, qui limitent la pénétration d’eau, même s’ils contiennent plus de C3A. Quand ce n’est pas possible, il faut utiliser des briques dont le taux de sels solubles actifs est contrôlé (catégories S1 ou S2). La nécessité de déclarer la teneur en sels solubles actifs est destinée à s’assurer que, dans les conditions d’utilisation particulières, il n’apparaît aucune détérioration des briques, du mortier ou de l’enduit.
