Propriétés physiques
Un article de TerraWiCotta.
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Porosité
Le premier paramètre, fondamental pour toutes les propriétés du tesson, est la porosité. La porosité peut être ouverte ou fermée. Les pores ouverts peuvent être tubulaires, de section circulaire ou plus ou moins aplatis. Les pores fermés sont sphériques ou peuvent avoir une forme (disque). Ils peuvent avoir une orientation qui sera un facteur d’anisotropie. Selon les produits, on cherche à obtenir différentes porosités, de faibles porosités (< 20 %) pour les tuiles et les briques apparentes et de très fortes porosités (> 40 %) pour certaines briques de structure pour réduire la conductibilité thermique. De façon habituelle, la porosité des briques est principalement ouverte. Seules les températures de cuisson élevées permettent d’obtenir des porosités fermées. Les facteurs qui produisent les faibles porosités sont :
- les températures élevées de cuisson, au-dessus de 950 °C pour les argiles ferrugineuses ;
- des compositions ne comprenant pas de porosant et peu de matière organique ;
- des compositions comprenant beaucoup d’éléments grésant, c'est-à-dire des alcalins (dans les feldspath, mica), qui forment des eutectiques à bas points de fusion ;
- les argiles non calcaires.
Les diamètres des pores ont une distribution qui est mesurée avec un porosimètre à mercure. On force le mercure à pénétrer la terre cuite sous des pressions de plus en plus élevées et on mesure la prise de mercure en fonction de l’augmentation de pression. Sur la base de cette distribution, on peut alors calculer différents indicateurs comme :
- le diamètre moyen des pores ;
- l’étalement porométrique (diamètre max. et diamètre min.) ;
- le pourcentage de pore supérieur à 2 µm ;
- D10, le diamètre que seuls 10 % des pores dépassent.
Comme on le verra plus tard, la distribution de la porosité a une influence directe sur la diffusion de l’eau dans la terre cuite et dans la tenue au gel des tuiles.
Masse volumique, densité spécifique et densité apparente du tesson
La masse volumique spécifique de la terre cuite (sans porosité) est dans la gamme de 2 500 à 2 800 kg/m3, soit des densités de 2,5 à 2,8 par rapport à l’eau. La densité spécifique d’un tesson non poreux est liée d’abord à la composition chimique (densité plus élevée avec les fortes concentrations en alumine et fer) et à la structure du tesson (plus forte densité si cristallisé).
La densité spécifique du tesson non poreux varie lentement avec la température, en relation inverse avec la dilatation thermique. La densité du tesson poreux est, bien sûr, plus faible et liée à la porosité. On a la relation suivante : Équation 9 t = 1-a /s Équation 9 : = 1-a /s, avec : – t porosité totale ; a masse volumique du tesson poreux ; s masse volumique spécifique. De façon réciproque a = (1- ). Des exemples de masses volumiques apparentes typiques de tessons sont donnés au tableau 44 avec les porosités associées en supposant que la densité spécifique était 2 500 kg/m3.
Anisotropie
De façon habituelle, les propriétés de la terre cuite ne sont pas isotropes car la matière « se rappelle » son mode de fabrication. Le filage et le pressage produisent des déformations et des cisaillements dans l’argile, comme on l’a vu dans la section consacrée au formage ; ces déformations laissent leur trace même après séchage et cuisson. Les particules d’argile et de dégraissant ont été orientées dans le sens de la déformation. Les porosités se sont aussi orientées. La terre cuite va souvent avoir les propriétés d’un matériau orthotrope ou isotrope transverse, c'est-à-dire que les propriétés dans le plan sont isotropes mais sont différentes dans le sens travers. Le matériau peut ressembler partiellement à un contreplaqué avec des propriétés différentes dans le plan des feuilles et dans le sens perpendiculaire à ce plan. Les propriétés non isotropes sont par exemple les modules et résistances mécaniques, la vitesse du son, la conductivité thermique, les coefficients de diffusion… Sur des barrettes de terre cuite extrudées, on a ainsi réalisé des mesures ultrasonores et des essais de compression selon différentes orientations : le sens du filage D1 et deux directions perpendiculaires dans le plan perpendiculaire.
Le rapport des propriétés maximales et minimales est une mesure de l’anisotropie. Les propriétés en D2 et D3 sont ici équivalentes et plus faibles qu'en D1 de 30 %.
Cette anisotropie a heureusement peu d’influence pratique en mécanique car les facteurs de sécurité utilisés dans les maçonneries sont très élevés.
En thermique, on observe aussi des anisotropies des conductivités. Comme cet aspect est plus critique, il est intéressant d’en tenir compte dans les calculs d’isolation thermique.
L’anisotropie diminue quand la température de cuisson augmente, au fur et à mesure que le grésage et la recristallisation se développent. Cependant elle ne s’annule jamais complètement.
Tests
Masse volumique apparente du tesson
La masse volumique apparente peut se mesurer en connaissant le poids et la géométrie de l’échantillon. Elle peut aussi se mesurer par pesée hydrostatique quand on empêche la pénétration du liquide de pesée dans les pores.
Porosité ouverte
La mesure de la porosité ouverte accessible s’effectue par pesée hydrostatique. Le problème est de bien chasser l’air des pores, de le remplacer par de l’eau et de saturer l’éprouvette. L’imbibition peut se faire à pression et température ambiantes, sous eau bouillante à pression atmosphérique ou sous pression, ou sous vide à température ambiante avec des résultats différents. Le temps d’imbibition est important aussi. La norme EN NF 772-3 demande d’imbiber la brique à pression ambiante et pendant une heure maximum, jusqu'à masse constante. La norme s’appelle d’ailleurs « Mesure du pourcentage de vide » et se compare aux mesures géométriques des autres matériaux de construction. Elle n’est pas réellement une mesure de porosité, les vraies porosités étant plus élevées. Les propriétés réelles du matériau sont obtenues par saturation à l’eau sous vide ou par saturation au mercure sous pression.
Densité spécifique
La mesure de la densité spécifique implique la destruction de toutes les porosités fermées et s’effectue sur de la poudre. Elle peut aussi se mesurer au pycnomètre à hélium. Dans une enceinte fermée de volume connu, on introduit la même quantité d’hélium avec et sans échantillon. La variation de la pression permet de connaître le volume réel du solide.
Anisotropie
L’anisotropie est évaluée en réalisant des mesures selon différentes orientations et en calculant le rapport d’anisotropie.
