Comment déterminer la sensibilité au gel d'une pierre? L'importance des essais de résistance au gel.

Températures négatives

Sous notre climat océanique tempéré, il est essentiel que la pierre naturelle utilisée dans les extérieurs soit résistante, en particulier au gel. Mais que signifie précisément la résistance au gel pour la pierre naturelle et comment est-elle testée? Nous approfondirons ces questions dans l'article ci-après.

La force des cristaux de glace

Tout le monde a déjà oublié accidentellement une bouteille d'eau dans le congélateur. Si la bouteille en verre finira par se briser, la bouteille en plastique se dilatera peut-être juste suffisamment pour ne pas éclater. Contrairement aux autres liquides qui se rétractent, l'eau voit son volume augmenter d'environ 9% lorsqu'elle gèle. Cette augmentation en volume ne sera cependant pas la cause de l'éclatement de la bouteille – ou, par extension, de l'éclatement de la pierre. Dans le précédent volet de cette rubrique, nous avions expliqué que les pierres absorbent de l'eau dans leurs pores, mais que ceux-ci ne sont que très exceptionnellement saturés à plus de 91%. En d'autres termes, la glace dispose généralement de suffisamment d'espace pour cristalliser.

Pour comprendre le mécanisme des dommages causés par la formation de la glace, il faut zoomer à l'échelle microscopique. Si la majorité de la glace fond à 0°C, les cristaux de glace microscopiques fondent déjà à des températures inférieures à 0°C. En effet, en raison de leur petite taille, ils subissent un impact important dû à leur tension superficielle. En cas de températures inférieures à 0°C, ils peuvent résister à cette tension. Lorsqu'ils se développent contre la paroi d'un pore, ils pourront transférer le même ordre de tensions à la pierre. Si ces tensions dépassent la résistance locale de la pierre, cela pourra entraîner la formation de fissures en éventail, dont les cycles successifs pourront provoquer une décohésion ou même se transformer en éclats plus importants.

Qu'est-ce qui détermine la résistance au gel?

La résistance aux dommages causés par le gel dépendra de trois facteurs principaux:

1. La présence d'eau : sans eau, pas de glace, pas de formation de tensions et donc pas de dommages.
2. La température: plus les températures sont basses, plus le risque de dégâts du gel est élevé, à condition que la présence d'eau soit suffisante. La température de l'air, mais aussi d'autres sources de chaleur, en provenance de l'intérieur par exemple, joueront ici un rôle et influenceront la masse thermique de la pierre naturelle.
3. La résistance intrinsèque: les pierres plus résistantes résisteront mieux à la pression de l'eau qui gèle. Il s'agit d'une forme de résistance à la traction par fendage, qui sera généralement proportionnelle à la résistance à la compression classique. Une résistance à la compression plus élevée signifiera généralement aussi une plus grande résistance à la traction par fendage.

Essais cycliques

Dans la pratique, les essais de résistance au gel consistent à soumettre des échantillons de pierre naturelle à une série de cycles gel-dégel. Il s'agit donc d'essais empiriques. La norme NBN EN 12371 de 2010 décrit le déroulement de ces essais, avec un nombre de cycles et des conditions spécifiques fixes pour mesurer la durabilité de la pierre face au gel.

Les échantillons présentent des dimensions de 300 x 50 x 50 mm³ et sont munis après l'essai d'une étiquette indiquant le nombre de cycles (Nc) – généralement limités à un maximum de 156 ou 168. Les cycles durent chacun 12 heures, avec des températures allant jusqu'à -12°C pendant la première moitié de la durée, suivie pendant la seconde moitié d'une phase de dégel sous eau et jusqu'à une température maximale de 20°C.

On fait ici une distinction entre l'essai d'identification et l'essai technologique. Ce dernier compte 56 cycles et sera suivi de la détermination d'une propriété mécanique (comme la résistance à la compression ou à la flexion) par rapport à des échantillons n'ayant pas subi d'essai de résistance au gel.

L'essai d'identification fixe un nombre variable de cycles et utilise des méthodes de caractérisation non destructives pour évaluer les échantillons. Ces cycles sont liés à l'application, et donc à la charge extrinsèque probable.

Les carreaux de sol devront par exemple subir un nombre de cycles plus élevé que les sections de façade verticales en contact avec le sol et les éclaboussures d'eau. Ces dernières devront à leur tour pouvoir supporter davantage de cycles que les éléments de façade verticaux massifs ou les bardages ventilés. Pour ces applications extérieures, il sera donc conseillé de consulter la fiche technique afin de vérifier si elles respectent le nombre de cycles prescrit.