4.5 Essais de durabilité

4.5 Essais de durabilité

Mise à jour : juin 2013

4.5.1 Résistance au gel

La résistance au gel constitue certainement la caractéristique de durabilité essentielle pour les ouvrages extérieurs. En effet, une mauvaise sélection de la pierre à cet égard entraîne une altération rapide et, le plus souvent, le remplacement des éléments affectés.

Cependant, il s'agit aussi d'une caractéristique dont l'évaluation en laboratoire s'avère complexe. Les raisons en sont les suivantes :

• le terme 'pierre naturelle' couvre un très grand nombre de roches de nature différente et aux caractéristiques très variables. Selon le type de pierre, la porosité ouverte peut, par exemple, varier d'une valeur presque nulle à près de 50 vol %. De même, on observe des résistances en compression évoluant de quelques N/mm² à plus de 300 N/mm² pour les pierres les plus dures
• la pierre naturelle constitue l'un des rares matériaux de construction qui peut être utilisé dans de multiples applications extérieures du bâtiment subissant des actions de gel différentes : dallages, soubassements, maçonneries, … En conséquence, un essai de gélivité doit comporter un ou plusieurs paramètres variables (taux d'imprégnation en eau, nombre de cycles, …) de façon à pouvoir tenir compte de cette grande variabilité. (Les Dossiers de Buildwise 2011/4.12)

Fig. 30 Dégâts typiques dus au gel sur un dallage extérieur.

4.5.1.1 Méthodes d'essai

La méthode d'essai normalisée pour déterminer la résistance au gel de la pierre naturelle a subi d'importants changements au cours de la dernière décennie. Avant la publication de la première norme européenne (NBN EN 12371) en 2001, la Belgique disposait d'une méthode (basée sur la norme NBN B 27-009) qui tenait compte des diverses applications dans le bâtiment et dont les résultats pouvaient être interprétés avec fiabilité en termes d'usage. L'entrée en vigueur de la norme européenne a été synonyme de l'introduction d'une méthode d'essai fondamentalement différente de l'ancienne norme belge. Au vu de l'expérience limitée de la nouvelle méthode et le manque de critère d'utilisation dans la norme européenne, les deux méthodes ont été utilisées durant la période de transition. C'est la raison pour laquelle les premières fiches de pierres naturelles comportaient le résultat de ces deux méthodes. En 2010, l'expérience des dernières années d'utilisation du nouvel essai de gélivité a permis d'adapter légèrement la méthode d'essai. Un des changements les plus importants est le passage du nombre maximal de cycles de gel de 240 à 168 cycles, et ce afin de réduire drastiquement la durée de l'essai. Bien que pour les résultats officiels des tests, il convient de toujours utiliser la norme européenne la plus récente, la méthode d'essai belge peut encore être appliquée pour des résultats indicatifs.

4.5.1.1.1 Méthode européenne

Méthode d'essai - Référence : NBN EN 12371 : 2010

La norme NBN EN 12371 propose deux types d'essai :

• un essai d'identification, durant lequel les mêmes cycles sont exécutés successivement jusqu'à rupture des éprouvettes. La rupture est jugée comme atteinte lorsqu'au moins deux éprouvettes sont classées comme défectueuses selon l'un des critères suivants :
  • la cote attribuée lors de l'examen visuel est supérieure ou égale à 3
  • la diminution du module d'élasticité dynamique est supérieure ou égale à 30 %
• un essai technologique, au cours duquel les éprouvettes subissent un nombre déterminé de cycles de gel/dégel déterminé conformément à la norme produit (généralement 48). Après ces cycles, on définit la perte de résistance mécanique des éprouvettes (en compression ou en flexion selon le type d'application envisagé). Pour satisfaire à l'essai, la perte moyenne de résistance mécanique doit être inférieure à 20 %, ce qui correspond à la classe F1.

Dans les deux cas, l'imprégnation d'eau préalable s'opère par immersion progressive en 48 heures. Le nombre d'éprouvettes et leurs dimensions dépendent du type d'essai :

• pour l'essai d'identification, sept éprouvettes de 50 x 50 x 300 mm doivent être testées. Une exception peut être faite quant aux dimensions des roches schisteuses dont l'épaisseur est de 13 mm minimum
• pour l'essai technologique, les éprouvettes doivent être conformes à ce qui est requis par les normes d'essai mécanique, à savoir :
  • deux jeux de dix éprouvettes (cubes de 50 ou de 70 mm de côtés ou cylindres de diamètre et de hauteur égaux à 50 ou à 70 mm) pour la résistance en compression (NBN EN 1926)
  • deux jeux de dix éprouvettes (prismes d'une épaisseur comprise entre 25 et 100 mm, d'une largeur comprise entre 50 mm et trois fois l'épaisseur, et d'une longueur égale à six fois l'épaisseur) pour la résistance en flexion (NBN EN 12372).

Méthode d'essai - Référence : NBN EN 12371 : 2002

L'ancienne méthode d'essai de 2002 diffère de la nouvelle (2010) en ce sens :

• essai d'identification :
  • le nombre de cycles est de 240 et les cycles intermédiaires sont différents
  • il n'y a pas d'exception pour les dimensions des roches schisteuses
  • la masse volumique est mesurée lorsqu'une diminution d'au moins 1 % est constatée. La codification est légèrement différente.
• Essai technologique : le nombre d'éprouvettes pour le test de la résistance à la compression avant et après l'essai est égal à 10.

Méthode d'essai - Référence : NBN B 27-009/A2 : 1996

L'ancienne norme belge de 1996 décrit une méthode d'essai totalement différente de la nouvelle norme européenne (2010).

Après séchage à masse constante, les éprouvettes (cinq dalles de 20 cm x 20 cm x l'épaisseur d'utilisation) sont imprégnées sous une dépression (exprimée en mmHg) en rapport avec l'utilisation de la pierre. Elles subissent ensuite 25 cycles de gel/dégel en frigo, au cours desquels l'exposition au gel s'effectue par l'une des faces des éprouvettes. Ces 25 cycles se composent de dix cycles avec de l'air refroidi à -15 °C et de quinze cycles avec de l'air refroidi à -5 °C. En fin d'essai, les éprouvettes sont séchées et inspectées visuellement. On détermine également leur perte de module d'élasticité dynamique par des mesures de fréquence de résonance en flexion (avant et après les cycles). Pour que la pierre soit considérée comme résistante au gel pour l'application testée, aucune des éprouvettes ne peut présenter d'altération visible ni avoir perdu plus de 20 % du module d'élasticité dynamique.

La NIT 205 mentionnait également la possibilité d'évaluer la résistance au gel via le critère 'GC', sur la base de la norme NBN B 27-010. Cette méthode indirecte fondée sur la capillarité n'étant plus utilisée de nos jours que sur demande spécifique, nous ne la décrirons pas dans le présent document.

4.5.1.2 Recommandations

Selon la méthode utilisée et l'application envisagée, il est recommandé que la pierre satisfasse aux critères exprimés au tableau 17. En ce qui concerne la méthode européenne, ce tableau fait uniquement référence à l'essai d'identification, l'essai technologique étant selon nous inadapté à la plupart des applications de la pierre dans le bâtiment.

4.5.1.3 Action combinée du gel et des sels de déverglaçage

Il est connu que certains types de matériaux (comme le béton, par exemple) sont plus sensibles à l'action du gel en présence d'eau saline qu'en présence d'eau pure. Dans le cas de la pierre naturelle, nous disposons de peu d'informations et aucune méthode normalisée ne permet de simuler cette action combinée. Le CEN (Comité européen de normalisation) travaille activement et un RT (rapport technique) propre à la pierre naturelle est prêt à être publié.

Fig. 31 Ecaillage d'un soubassement en granit sous l'action combinée du gel et des sels de déverglaçage.

Méthode d'essai - Rapport technique (semblable à la prENV 12390-9 : 2003)

L'essai se compose de cycles de gel dans l'air et de dégel dans de l'eau additionnée de 1 % de NaCl, c'est-à-dire une solution saline. Les éprouvettes sont conditionnées dans la solution saline et placées dans des sacs en plastique durant le processus de gel/dégel, et ce afin de pouvoir utiliser des frigos standards et d'éviter l'évaporation de la solution saline absorbée par les éprouvettes.

Deux régimes de températures sont autorisés (de -12 °C à -18 °C) selon le climat d'utilisation des éprouvettes. Les changements peuvent être contrôlés à l'aide de mesures de la vitesse de propagation du son durant les cycles de gel/dégel, mais cela n'est pas obligatoire.

4.5.2 Résistance à l'usure

Cette caractéristique ne doit être testée que pour les revêtements de sol. Elle permet de déterminer le comportement d'une pierre naturelle vis-à-vis de l'abrasion mécanique provoquée par le frottement de fines particules. Un revêtement de sol incorrectement choisi quant à sa résistance à l'usure présentera rapidement une évolution de son état de surface aux endroits de passage les plus sollicités : perte de brillance, modification de la couleur, perte d'épaisseur, …

Selon l'intensité du trafic pédestre, on distingue généralement les classes d'usage indiquées au tableau 18.

4.5.2.1 Méthodes d'essai

La méthode d'essai considérée comme référence par les normes européennes est la méthode Capon appliquée à l'aide d'un disque d'abrasion de 70 mm. Comme pour l'essai de résistance au gel, le principe de cet essai est fondamentalement différent de la méthode belge Amsler utilisée précédemment. Notons cependant que l'essai Amsler (même principe que la méthode belge Amsler mais autres conditions) ainsi que l'essai Böhm sont mentionnés dans la norme européenne en tant que méthodes alternatives.

4.5.2.1.1 Méthode européenne (essai Capon)

Méthode d'essai - Référence : NBN EN 14157 : 2004

Au moins six prismes de dimensions 10 cm x 10 cm x 2 à 3 cm sont utilisés pour cet essai. Chaque prisme est soumis à l'abrasion d'une meule (de 70 mm d'épaisseur) effectuant 75 rotations perpendiculairement à la surface à tester, sous une coulée de sable d'usure de référence et avec une pression de contact déterminée. Après les 75 rotations, on procède au mesurage de la longueur de l'empreinte réalisée dans la pierre.

Méthode d'essai - Référence : NBN B 15-223/A1 : 1997

L'ancienne norme Belge (méthode Amsler) de 1997 décrit une méthode d'essai complètement différente de la méthode européenne Capon actuelle (2004).

Une éprouvette à laquelle on imprime un mouvement de rotation est soumise au frottement d'une table en fonte sablée effectuant un parcours imposé. La résistance à l'usure s'exprime par la perte d'épaisseur (en mm) pour un parcours de 1 000 m. Quatre éprouvettes de 7 cm x 7 cm x 4 cm sont testées de cette façon par type de pierre.

4.5.2.2 Recommandations

Selon la méthode d'essai et l'usage envisagé, il est recommandé que l'usure de la pierre soit inférieure aux valeurs mentionnées au tableau 19. Quelle que soit la méthode utilisée, on tient compte de la valeur moyenne des essais pour déterminer les recommandations.

4.5.3 Résistance aux chocs thermiques

L'essai de résistance aux chocs thermiques reproduit les tensions résultant des changements brusques de température qu'une pierre peut subir lorsqu'elle est soumise à un environnement extérieur fortement ensoleillé et exposé aux pluies. Certaines applications intérieures peuvent également subir de brusques variations de température, comme les plans de travail des cuisines (contact avec des surfaces très chaudes).

Les changements rapides de température induisent dans la pierre des gradients de température entre sa surface et sa masse, engendrant des déformations différentielles dans l'épaisseur des éléments et partant, des tensions pouvant altérer ceux-ci. Les dégâts de ce type les plus fréquents sont constitués par des fissures généralement localisées au droit des discontinuités éventuelles de la matière (veines, joints stylolithiques, …). Des microfissures peuvent également apparaître entre les grains de la roche, générant ce que l'on appelle une décohésion intergranulaire.

Le cintrage des éléments, lié à cette décohésion intergranulaire constitue un autre type de dégât spécifique aux marbres sensu stricto et, dans une moindre mesure, aux calcaires marbriers. L'ouvrage le plus sujet à ce genre d'altération est le revêtement mince de façade, en raison des dimensions en plan importantes des éléments par rapport à leur épaisseur (cf. figure 32). La norme prEN 16306 'Résistance du marbre aux cycles thermiques et à l'humidité' a été développée afin de déterminer ce phénomène (Les Dossiers de Buildwise 2008/3.13).

Fig. 32. Mesure de l'amplitude du cintrage sur des plaques de façade.

4.5.3.1 Pour tous les types de pierre sauf les marbres sensu stricto

Méthode d'essai - Référence : prEN 14066 : 2012

L'essai nécessite 20 éprouvettes au total pouvant avoir des dimensions variables, mais devant malgré tout satisfaire à une série de conditions décrites dans la norme. Dix éprouvettes sont utilisées comme point de comparaison des résultats de l'essai de la résistance à la flexion. Les dix autres subissent 20 cycles de 24 heures, dont :

• 18 h en étuve à 70 °C
• 6 h dans de l'eau à 20 °C.

Après les cycles, les dalles sont séchées. Les dégâts éventuels sont ensuite décrits (oxydation, changement de couleur, fissuration, écaillage, …) et l'essai de la résistance à la flexion est effectuée. La norme décrit également la possibilité d'effectuer des tests complémentaires avant et après le test de durabilité, à savoir la porosité ouverte, le module d'élasticité dynamique et la vitesse de propagation du son.

L'ancienne méthode d'essai de 2003 (référence NBN EN 14066) diffère de la nouvelle (2012) en ce sens :

• nombre d'éprouvettes et leur dimension : six éprouvettes de 20 cm x 20 cm x 2 cm
• température des cycles : 18 h en étuve à 105 °C
• tests de contrôle : perte de masse et perte de module d'élasticité dynamique
• critères de recommandation : les pierres présentant une perte de module d'élasticité dynamique supérieure à 20 % ou une perte de masse supérieure à 1 % ne peuvent être utilisées dans les applications sujettes à de brusques changements de température.

4.5.3.2 Pour les marbres sensu stricto uniquement (cintrage)

Méthode d'essai - Référence : prEN 16306 : 2012

Le cintrage est mesuré sur six éprouvettes (40 cm x 10 cm x 3 cm) dont la face inférieure est exposée à l'humidité et la face supérieure à la chaleur. La mesure s'effectue à l'aide d'une latte de mesure spécifiée dans la norme et selon une certaine procédure. L'écart de température va de 20 à 80 °C au cours d'un cycle de 24 heures (le test compte 50 cycles au total). La température de 80 °C est mesurée sur une référence noire posée sur la surface de l'une des éprouvettes afin de contrôler la chaleur. La perte de résistance à la flexion est déterminée en comparant les six éprouvettes de référence aux six éprouvettes exposées.