La pierre sous toutes ses facettes: la porosité, une propriété à prendre à la légère, ou pas...

De compact à poreux

Chaque pierre contient des cavités dans une certaine mesure, même si celles-ci sont parfois microscopiques. Ces cavités, ainsi que les fissures éventuelles, forment la porosité de la pierre. On émet une distinction entre porosité ouverte (ou porosité efficace) et porosité totale. La porosité ouverte représente la fraction volumique des pores connectés mutuellement à la surface extérieure. Ceux-ci peuvent donc se remplir d'air et d'eau.

La porosité totale représente tous les pores, y compris ceux qui sont fermés et donc inaccessibles. Pas étonnant dès lors que l’on parle principalement dans la pratique de porosité ouverte. La quantité de pores fermés est insignifiante par rapport aux pores ouverts.

La porosité peut varier fortement entre les variétés de roche, mais parfois aussi au sein d'une même variété de roche. Les roches métamorphiques comme le gneiss et le marbre ainsi que et les roches magmatiques intrusives comme le granit sont souvent peu poreuses (< 2% du volume) en raison de leurs conditions de formation, la (re)cristallisation s’effectuant dans les profondeurs des couches terrestres. Les roches sédimentaires, comme le calcaire et le grès, se forment par des processus diagénétiques. Elles présentent des degrés de compacité différents, et sont dès lors souvent plus poreuses. Dans leur forme compacte, les calcaires, comme la pierre bleue, et les grès sont peu poreux (< 2% du volume), mais pour d'autres grès, la porosité peut atteindre jusqu'à environ 25% – et même jusqu'à 50% pour certains calcaires.

Au toucher, les calcaires compacts sont plus durs et les calcaires poreux, comme la pierre blanche, sont plus tendres. De par sa texture compacte, une pierre de taille aura une faible porosité, tandis qu'on escomptera précisément du ‘tuffeau’ une porosité élevée.

Dégradation et contrôle de la qualité

La porosité est l'une des propriétés de base d'une pierre et pourra, si elle est élevée, avoir une très grande influence sur d'autres propriétés importantes comme le transport et la rétention d'eau. Une porosité plus élevée aura généralement une influence défavorable sur la dégradation de la pierre naturelle, mais il est important de comprendre que ce rapport n’est pas proportionnel. La dégradation sera aussi fortement déterminée par les conditions, la minéralogie et la résistance d'une pierre.

La taille des pores individuels exercera également une influence au moins aussi importante que la porosité totale. Les pores de grande taille absorberont rapidement l'eau, mais sècheront aussi facilement. Les petits pores absorberont l'humidité plus lentement, mais la retiendront plus longtemps.

Cela pourra avoir une influence sur la résistance au gel, par exemple. La situation la plus défavorable sera une pierre arborant à la fois des pores de grande taille qui absorberont l'eau rapidement et de nombreux pores fins qui retiendront l’eau absorbée.

La taille des pores individuels comprend plusieurs ordres de grandeur. De moins de 0,1 μm à plusieurs centimètres. De nombreuses variétés de pierres poreuses possèdent des pores d’une taille inférieure à 50 μm. Par souci de clarté, il s'agit pratiquement de la limite de ce qui est visible à l'œil nu. Une part très importante de la porosité ouverte ne pourra donc pas être observée directement à l'œil nu, même si les connaisseurs de la pierre naturelle expérimentés pourront évidemment bel et bien estimer cette porosité sur la base du type de pierre et de la texture.

La porosité ouverte constitue l'une des propriétés de base sur les fiches techniques. Elle pourra donc s’utiliser pour procéder au contrôle de la qualité en comparant les échantillons à la valeur déclarée.

Distribution granulométrique des pores d'un calcaire poreux du Bassin parisien.

TDK - Distribution granulométrique des pores d'un calcaire poreux du Bassin parisien.

Loi d'Archimède

La porosité d'une roche est définie comme la fraction volumique des pores par unité de volume de la pierre. Pour déterminer la porosité (ouverte), on mesurera donc les deux volumes. Pour ce faire, les pores d'un échantillon seront saturés d'eau sous vide, afin que les pores ouverts soient totalement remplis. La différence de masse entre la pierre sèche et la pierre saturée sera alors indicative du volume d'eau, puisque la densité de l'eau est connue. La détermination du volume de pierre repose sur la loi d'Archimède.

Cette loi stipule que la force ascendante que subit un corps dans un liquide ou un gaz est égale à la masse du volume déplacé de ce liquide ou de ce gaz. La pierre saturée sous vide sera pesée dans l'air et sous l'eau. Et à partir de la différence de ces masses pourra être déterminé le volume d'eau déplacé, qui sera égal au volume en vrac de pierre. Cette méthode d'essai est décrite dans la norme EN 1936 (2007) - Méthodes d'essai des pierres naturelles - Détermination des masses volumiques réelle et apparente et des porosités ouverte et totale. Un échantillon présentera généralement des dimensions de l'ordre de 5 à 10 cm.

La détermination de la distribution granulométrique des pores est plus complexe et repose sur l'intrusion de mercure. Du mercure, un métal liquide ‘non-mouillant’, sera ici injecté dans un échantillon sous haute pression. Plus un pore est petit, plus la pression nécessaire pour y introduire le mercure sera élevée. Ainsi, en mesurant le volume de mercure injecté en fonction de la pression, vous pourrez établir la distribution granulométrique des pores. Cette méthode repose sur plusieurs hypothèses théoriques, comme des pores cylindriques, et est sujette à des artefacts, comme des rétrécissements à l’entrée des pores.

Mais les résultats sont précieux et aident à comprendre l'impact de la porosité totale sur d'autres propriétés ainsi que la dégradation. En raison de ce principe, l’échantillon sera ici très petit, avec des dimensions de l'ordre d'un centimètre. Le prélèvement de l’échantillon devra donc s’effectuer d’une manière mûrement réfléchie.