le phénomène de la capillarité dans les bâtiments en pierre

ENAC_Learning From Vernacular Damaris Barblan_23.05.2011
LE PHÉNOMÈNE DE LA CAPILLARITÉ DANS LES BÂTIMENTS EN PIERRE
I. Introduction
II. Phénomène de la capillarité : définition
III. Porosité des pierres
IV. Coefficient de capillarité d'une roche
V. Expérience : 4 pierres de porosité différente, posées dans 2cm d'eau pour observer le
phénomène de la capillarité
VI. Durée de séchage des pierres
VII. Principales altérations des pierres dues à la capillarité
VIII.Exemples de constructions subissant le phénomène de capillarité
IX. Bibliographie
I. Introduction
Le phénomène de transfert d'eau par capillarité dépend de plusieurs facteurs; des conditions
d'exposition, mais avant tout de la porosité de la pierre ainsi que de sa durée de séchage.
Selon ces facteurs, ainsi que celui de la nature de l'eau, plusieurs altérations peuvent être
analysées, les principales étant les altérations dues à l'action du gel, celles dues à l'action des
sels ainsi que les altérations biologiques.
Afin d'expérimenter ce phénomène de la capillarité, quatre morceaux de pierres de porosité
différente (la pierre de Savonnières, la molasse, le tuf d'Ex-Yougoslavie et le tuf du Valais) ont
été immergées dans 2 cm d'eau afin d'observer la montée d'eau en relation avec le temps.
Pour illustrer ces pierres, quatre bâtiments construits avec entre autre ces roches ont été
photographiés, certains subissant le phénomène de capillarité.

II. Phénomène de la capillarité : définition
L'ascension capillaire s'observe à chaque fois qu'un liquide peut s'introduire dans les pores,
les fentes et les interstices d'un matériau dont il 'mouille' la surface. On observe alors
l'ascension capillaire du liquide, ascension dont la hauteur dépend de la nature du liquide, de
celle du matériau (angle de raccordement γ) ainsi que de la largeur du pore, de la fente ou de
l'interstice.
En prenant l'exemple du 'tube capillaire', un tube
cylindrique de rayon r plongé dans une nappe de
liquide, l'on peut constater que grâce à la tension
superficielle du liquide, ce dernier monte contre la
gravité dans le cylindre d'une hauteur h comptée à
partir de la
surface du liquide libre.
La surface libre du liquide qui est à la frontière entre
le liquide et l'air jouit de propriétés particulières. Elle
se comporte comme une membrane élastique
tendue de façon uniforme. La tension appliquée sur
l'interface est appelée tension interfaciale, plus
habituellement tension superficielle lorsqu'il y a
contact avec l'air.
Cette tension superficielle est proportionnelle à la
force de cohésion intermoléculaire du liquide
concerné. Plus les molécules du liquide ont une
cohésion forte, plus le liquide est susceptible d'être
transporté par capillarité.
L'eau possède une forte cohésion entre ses
molécules : elle adhère aux surfaces du tube, puis
ses molécules sont attirées sur la partie de la
surface du tube immédiatement au-delà, et par
répétition de ce phénomène l'eau monte ainsi le long du tube.
III. Porosité des pierres
La porosité d'un matériau est égale au rapport du volume des vides sur le volume total de la
roche.
Les pores sont de plusieurs natures (ouverts ou fermés), c'est pourquoi il existe deux types de
porosité : la porosité intergranulaire ou la porosité intragranulaire.
Dans la porosité intergranulaire (ouverte), les pores communiquent entre eux et avec
l'extérieur, ils sont reliés par des canaux et constituent la voie de transfert des fluides venant
de l'extérieur. Les grands pores ralentissent la vitesse de progression de l'imbibition capillaire,
alors que les petits pores facilitent le cheminement de l'eau à l'intérieur de la roche. En
général, les pores les plus gros ne sont pas envahis par l'eau, ils restent occupés par des
bulles d'air, ce qui limité le degré de saturation de la porosité.

La porosité intragranulaire (fermée) est faite de pores indépendants ne communiquant pas
entre eux, non accessible depuis l'extérieur, et donc ne participant pas aux transferts des
fluides. En général, le milieu poreux d'une roche est formé par l'ensemble des espaces vides
intergranulaires.
Porosité intergranulaire Porosité intragranulaire
Quelques valeurs de porosité totale de roches de construction :
Roches Porosité (%)
Calcaire 0.3 à 48
Tuffeau 30 à 45
Grès et quartzite 0.7 à 22
Granite 0.1 à 1.8
Marbre < 0.1
La porosité correspond à un véritable système respiratoire pour la pierre. La connaissance de
la dimension des pores est essentielle pour comprendre le comportement de la pierre face à
aux mouvements de l'eau. On trouve les tailles des pores grâce à la « porosimétrie au
mercure » : on fait pénétrer du mercure par pression dans les pores, la pression d'injection
étant reliée au diamètre d'entrée des pores concernés : plus les pores son fins, plus la
pression exercée est élevée. Les spectres porosimétriques obtenus nous permettent de
dénombrer les principales familles de pores et de spécifier la porosité accessible au
mercure.

Allure d'un spectre de répartition de
la taille des pores obtenu par
porosimétrie au mercure.
IV. Coefficient de capillarité d'une roche
La notion de capillarité est liée, comme nous l'avons vu auparavant, aux phénomènes de
tension interfaciale qui se fait entre le solide, l'air et le liquide. Le test de capillarité consiste à
mesurer l'absorption d'eau sous l'effet des forces capillaires. Ces phénomènes de transfert
dépendent de la géométrie des vides qui forment la porosité de la pierre. Comme nous l'avons
vu avant, la porosité ouverte transfert les fluides venant de l'extérieur. Son débit est contrôlé
par la répartition de la dimension des pores et leur éventuel rétrécissement. En général, les
pores les plus gros ne sont pas envahis par l'eau, ils restent occupés par des bulles d'air, ce
qui limité le degré de saturation de la porosité. Cet air piégé joue un rôle déterminant dans le
développement des mécanismes d'altération comme le gel.
Le coefficient de capillarité C d'une roche correspond à la masse d'eau absorbée par unité de
surface en fonction de la racine carrée du temps. Il est déterminé perpendiculairement ou
parallèlement au lit de carrière sur une éprouvette séchée préalablement à 70°C et immergée
dans 3 mm d'eau à 20°C.
où M = masse absorbée [kg]
S = section de la face inférieure de l'éprouvette [m²]
t = temps [s]

Allure d'une courbe d'absorption d'eau pour la mesure des coefficients de capillarité :
On peut voir sur le graphique ci-dessus que la courbe d'absorption capillaire a deux parties.
La première est presque une droite, puis elle s'infléchit progressivement et devient presque
parallèle à l'axe horizontal.
Le coefficient de capillarité est égal à la moyenne des coefficients correspondant aux valeurs
relatives à la première partie de la courbe.