Efflorescence

Un article de TerraWiCotta.

A différentes étapes de la production, et aussi en œuvre, il est possible de voir apparaître des colorations blanchâtres, des voiles et des coulures à la surface des produits de terre cuite. On les appelle «efflorescences ». De façon plus générale, on appelle efflorescence toute exsudation saline provoquée par la migration d’eau chargée en sels du cœur d’un produit poreux (terre cuite mais aussi béton, pierre naturelle) vers la surface extérieure. Lors de l’évaporation au cours d’un séchage, les sels se déposent à la surface du produit. Si l’interface eau/air n’est plus à la surface de la terre cuite, comme on l’a vu au chapitre séchage, les sels se déposent alors à l’intérieur et ne sont plus visibles. On parle parfois de « crypto efflorescence » (crypto- = caché) dont on reparlera dans le chapitre consacré à la résistance aux sels expansifs. Les efflorescences sont inesthétiques sur les briques apparentes, les carreaux et les tuiles. Sur les briques de structure, on va s’inquiéter de la tenue des mortiers et des enduits (plâtre et ciment) sur ces dépôts intermédiaires. Il faut la concomitance de plusieurs éléments pour produire des efflorescences :

• présence de sels hydrosolubles ;
• humidification importante ;
• texture poreuse ;
• séchage ultérieur ;
• interface de séchage eau/air à la surface de la terre cuite.

En principe, tous les sels hydrosolubles sont susceptibles de former des efflorescences. Dans la terre cuite, les sels les plus fréquents sont :

• la chaux, faiblement soluble et qui, au contact avec le gaz carbonique de l’air, se carbonate en calcaire blanc insoluble et adhérent ;
• les différents sulfates avec leurs solubilités dans l’eau et leurs températures de fusion/décomposition comme indicateur de leur stabilité.

Tous les sulfates sont partiellement solubles, sauf le sulfate de baryum. En discutant des compositions des mélanges argileux, on a évoqué l’intérêt de l’ajout de carbonate de baryum et on va en reparler. On note aussi que le sulfate de calcium est peu soluble mais très stable thermiquement. Souvent, les efflorescences n’ont qu’un effet esthétique défavorable et momentané. Avec le temps, la pluie peut laver ces efflorescences en les redissolvant. Parfois malheureusement il existe des phénomènes qui rendent ces efflorescences insolubles après leur première exposition à l’air, comme la recarbonatation de la chaux. On distingue les efflorescences détectées en production, principalement au séchage, de celles qui sont observées par la suite sur le parc de l’usine et sur les chantiers.

Efflorescence de séchage

Des efflorescences peuvent se produire durant le séchage. L’origine des sels est le mélange de fabrication, argiles, dégraissants et/ou eau. Les sels en cause peuvent être les sulfates et aussi les sulfures (pyrite) qui s’oxydent lentement en sulfates dans le mélange. La chaux n’est pas encore libérée et n’intervient pas à cette étape. Les efflorescences de séchage sont liées à la vitesse de séchage. Les sulfates sont soumis à deux diffusions contradictoires, d’une part l’entraînement par le mouvement capillaire de l’eau qui diffuse dans les pores vers l’extérieur durant le séchage, et d’autre part, la diffusion entre la zone externe enrichie à la saturation et la zone interne avec une concentration plus faible. Des résultats extensifs récents montrent que les efflorescences sont d’autant plus intenses que le séchage est plus rapide. A basse vitesse d’évaporation, le débit de l’eau est faible et la diffusion propre du sel limite l’apport global de sels à la surface. Ce n’est plus le cas quand la vitesse d’évaporation est rapide. On trouve cependant des résultats contradictoires dans la littérature, qui tiennent peut-être à la difficulté de bien contrôler l’équilibre entre ces deux diffusions. Le problème devient réel quand la concentration en sulfate est supérieure à 0,1 %.

En cas d’efflorescences dues aux sulfates, la solution technique largement utilisée est l’emploi de carbonate de baryum ajouté au mélange. La réaction de fixation des sulfates a lieu en phase humide. Les ions baryum piégent les ions sulfates à la surface du grain de carbonate de baryum et le sulfate de baryum obtenu est peu soluble et stable thermiquement. La réaction globale est : Équation 7 BaCO3 + CaSO4.2H2O => BaSO4 + CaCO3 +2H2O Le sulfate est stabilisé et on forme un peu de calcaire. Les additions de carbonate sont de l’ordre de 2 à 5 kg/t et dépendent de l’activité de surface du carbonate. Sans traitement au carbonate de baryum, la couche enrichie en sulfate va se transformer durant la cuisson qui suit le séchage. Certains sulfates vont s’évaporer et se décomposer. Par contre, le CaSO4 stable, va réagir avec le quartz et former des silicates de calcium blancs CaSiO3, insolubles et très stables. La terre cuite est alors colorée de façon indélébile. On note qu’il est aussi possible de former des efflorescences de sulfate quand un combustible trop soufré est utilisé (concentration en SO2 des fumées supérieure à 0,5 %), cas qui a pratiquement disparu avec l’emploi généralisé du gaz naturel.

Efflorescence en œuvre

L’origine des sels est alors variée :

• chaux venant de la terre cuite. Cette chaux peut provenir de grains de petite taille de même origine que les points de chaux précédents, grains de calcaire décomposés et insuffisamment silicatisés. La formation d’efflorescences de chaux due à la terre cuite est généralement rapide (apparition déjà sur le parc) ;
• sels contenus dans le mélange de production initial et non décomposés à la cuisson. Ne peuvent provenir de la terre cuite que des sels stables non décomposés par la cuisson, ce qui exclue les nitrates et les chlorures. Les différents sulfates sont partiellement décomposés et on voit l’effet de la température de cuisson sur la concentration résiduelle de sulfate. Initialement, la concentration augmente car les sulfures s’oxydent en sulfates. Par la suite, une cuisson à haute température limite les concentrations en sulfates. Les sulfates de magnésium, de sodium et de potassium ne se retrouvent pas dans les argiles cuites au-dessus de 1 000 °C. En pratique sur un produit bien cuit, seul le sulfate de calcium peut venir de la brique. De plus, ces efflorescences sont déjà apparues au séchage et le briquetier a eu la possibilité d’intervenir.

• chaux apportée par le ciment du mortier  : dans la phase initiale de l’hydratation du silicate tricalcique du ciment du mortier, il y a une libération d’ions Ca2+ suivie d’une précipitation de Ca(OH)2. Ces ions peuvent migrer avec l’eau de gâchage et provoquer des coulées de laitance. Il est donc fondamental de limiter les apports d’eau à la maçonnerie durant la première semaine. Il faut la protéger de la pluie. Le béton contient plus de ciment que le mortier et peut provoquer encore plus de laitance. Il faut donc le séparer d’un mur de brique apparente par une membrane étanche ;
• sels apportés par le ciment du mortier: les ciments contiennent des sels solubles ou qui le deviennent au contact de la brique. Par exemple, il y a souvent du sulfate de calcium (3 à 5 %), qui est introduit comme régulateur de prise (régulation de l’hydratation de l’aluminate tricalcique) et qui est consommé lentement en quelques jours. Il peut donc aussi migrer avec l’eau de gâchage avant sa stabilisation. Des ciments reçoivent parfois des ajouts de scories qui contiennent des sulfates de sodium. Le maçon ajoute parfois des détergents comme plastifiant à son mortier ; ces détergents contiennent souvent du sulfate de sodium. Ils sont à prohiber au contact de la terre cuite ;
• sels apportés par l’eau de gâchage, le sable ou les agrégats du mortier non lavés (sable marin non lavé) ;
• sels absorbés par la terre cuite pendant le stockage sur des sols humides et souillés ;
• sels provenant d’une remontée capillaire dans la maçonnerie quand il n’y a pas de couche anticapillaire (constructions anciennes) ;
• sels apportés par la pollution. Dans une atmosphère où l’air est très pollué en SO2, il est possible qu’avec le temps, la chaux soit attaquée et transformée en sulfate de calcium.

Il est donc important, en cas d’efflorescence, de bien analyser le produit déposé car les causes et les solutions dépendent de la nature chimique de l’efflorescence. Les remarques effectuées précédemment sur l’influence importante des conditions de séchage (position de l’interface eau/air, vitesse de séchage) sont encore valables pour les efflorescences observées en œuvre. Que faire au niveau du chantier quand on observe des efflorescences ? Il est clair que le phénomène d’efflorescence en œuvre peut réapparaître même après nettoyage, si les conditions d’apparition se reproduisent (sels solubles disponibles et forte ré humidification). Dans la mesure du possible, il faut donc favoriser des solutions de nettoyage mécaniques ou autres qui apportent peu d’humidité dans la maçonnerie. Quelques solutions à appliquer à la fois par le producteur et l’utilisateur. Par ailleurs, il faut citer l’apparition rare d’efflorescences colorées : taches jaune à verdâtre de sels de vanadium ou de sels de chrome, taches rougeâtres de sulfate de fer. Il est parfois possible de complexer les sels de vanadium et de chrome pour les rendre incolores. Il faut aussi noter que toutes les colorations sur les maçonneries et les plâtres ne sont pas forcement des efflorescences. On trouve aussi :

• les souillures dues à certaines huiles de décoffrage ;
• les moisissures ;
• les empoussièrements ;
• le salpêtre.

Tests d’efflorescence

Différents tests de laboratoire sont disponibles pour évaluer la tendance des produits de terre cuite aux efflorescences. Certains tests évaluent la terre cuite seule, d’autres la terre cuite en association avec des mortiers :

• détermination des sels solubles actifs dans la terre cuite. Les sels contenus dans la terre cuite sont extraits par percolation et analysés (EN NF 772-5). On mesure les concentrations de Na, K et Mg.

Il ne s’agit pas réellement d’un test d’efflorescence car le cation le plus important, le calcium, n’est pas pris en compte. Il s’agit d’un test de sels solubles dits « actifs » pour limiter l’attaque des mortiers par les sulfates et réduire l’action des sels expansifs (Mg) :

• essai d’apparition d’efflorescence : une mèche est réalisée en trempant la base du produit de terre cuite dans l’eau et en laissant s’évaporer l’humidité de la surface non trempée. On examine l’échantillon après séchage, on regarde la nature des sels et leur adhérence. Comme les conditions de séchage en œuvre sont différentes de celles du test, le résultat du test n’est qu’indicatif ;
• il est aussi possible de réaliser des tests de compatibilité avec le mortier en réalisant le même essai mais avec le pied de la brique enrobé de mortier frais. Dans des chantiers importants pour leur aspect esthétique, il est recommandé de réaliser ce type de test au moment de la sélection des mortiers.