Nous
décrivons dans cet article un nouveau type de
pathologie de la pierre, encore peu signalé en France, en vue
d'attirer
l'attention des professionnels du bâtiment sur les risques que
font courir
certains marbres posés en façade.
Le cas le
plus spectaculaire et le mieux étudié par les
spécialistes américains est celui de l'Amoco Building
à Chicago, dont le
revêtement de marbre a du être totalement remplacé
dix sept ans après sa pose ;
nous décrivons le cas de la Finlandia House à Helsinki,
et mentionnons le
risque posé par la Grande Arche de La Défense. Une revue
de la bibliographie
montre que cette altération du marbre a déjà
été décrite en diverses localités
américaines. La dilatation tout à fait anormale de la
calcite nous amène à
penser que l'origine de la décohésion est à
rechercher dans les alternances de
chauffage et refroidissement des façades, qui causent une
dilatation
irréversible.
La
décohésion granulaire se manifeste 10 ou 15 ans
après la
pose de revêtements minces en marbre, d'une épaisseur
souvent voisine de 3 cm.
La première manifestation évidente est le cintrage des
plaques, qui étaient
initialement planes au moment de la pose. Des fissures apparaissent sur
la
périphérie, et des éclats peuvent se
détacher au niveau des attaches. S'il est
possible de prélever des échantillons pour des mesures
destructives, on
constate que la résistance à la traction et la
résistance aux attaches sont
fortement diminuées par rapport au même marbre non soumis
aux intempéries. Dans
les cas extrêmes, juste avant la chute des plaques, la
cohésion du marbre
devient semblable à celle du sucre en morceaux, raison pour
laquelle cette
altération a été aussi appelée saccharification,
ou vulgairement maladie
du sucre.
Un examen au
microscope d'échantillons, imprégnés sous vide
de résines colorées ou fluorescentes, montre que les
cristaux de calcite qui
forment les grains du marbre sont séparés les uns des
autres par des espaces
vides, d'où le nom plus scientifique de décohésion
granulaire.
Cette
pathologie n'a été signalée jusqu'ici que pour les
marbres vrais, c'est à dire les marbres métamorphiques,
dont la taille des
grains est supérieure à 0,1 mm.
Le cas de la
tour Amoco à Chicago est décrit par
Logan et al. (1993) : construite entre 1971 et 1973, elle a
été revêtue sur
toute sa hauteur (346 m) de 65000 m2
de plaques de marbre de Carrare, provenant de carrières non
identifiées. Ces
plaques avaient une épaisseur de 32 à 38 mm, une longueur
de 1,32 m et une
largeur de 0,83 ou 1,11 m. Elles furent posées avec un mastic
trop dur, qui
empêchait leur libre expansion. Les plaques commencèrent
à se cintrer en 1980,
le phénomène devint inquiétant en 1987 : on releva
alors sur de nombreuses
plaques un bombement convexe de plus de 11,3 mm, pouvant atteindre
jusqu'à 30
mm, les plus déformées étaient celles
placées à l'Est et au Sud, faces les plus
ensoleillées. Après une série de tests sur les
façades et en laboratoire, tout
le revêtement fut remplacé en 1990 par un granite, pour un
coût de 75 M$.
Le marbre a
un grain moyen de 0,22 mm, les cristaux sont peu
orientés ; la porosité originelle est de 0,81 %, elle
passe à 1,18 % sur les
panneaux exposés au soleil. Les essais de résistance
à la flexion ont montré
qu'une vingtaine de cycles de chauffage à 36°C abaisse
sensiblement (18,6%) la
résistance de plaques vierges ; à 89°C la diminution
atteint 31%. Sur lames
minces, il a été constaté que le chauffage
crée des microfractures entre les
grains, surtout sur la face externe des panneaux ; les microfractures
ne se
referment qu'en partie au refroidissement.
Finlande
Un petit échantillon a été imprégné sous vide avec une résine époxy colorée en rouge. L'examen d'une lame mince au microscope (fig. 2) montre des grains de 0,1 à 0,4 mm, à contour polygonal, avec des faces presque planes ; les contacts entre grains sont ouverts et soulignés par la résine rouge. La figure 3 correspond à un échantillon de marbre blanc ordinaire de Carrare, traité dans les mêmes conditions : les limites entre grains sont nettes, mais non ouvertes. Il est évident que le marbre de la Finlandia House a perdu sa cohésion par ouverture des espaces intergranulaires.

Fig.
1 - Maison de la Finlande à Helsinki en 1990, cintrage des
panneaux en marbre de Carrare

Fig.
2 - Lame mince dans le marbre de la Maison de la Finlande, la
résine colorée en rouge souligne les ouvertures entre
joints

Fig. 3 - Lame mince dans un marbre de Carrare ordinaire, à grains jointifs
Inde
La tombe
de Humayun à Delhi, visitée récemment par
l'un de nous (A.B.) en même temps que le Taj Mahal, est un
édifice de grès
rouges datant de 1565, sur lesquels ont été
agrafés ou incrustés des éléments
de marbre blanc. Des problèmes de corrosion des attaches
métalliques ont
provoqué des ruptures et des chutes de marbre. Malgré de
nombreuses réparations
et changements de plaques au cours de l'histoire, des
déformations concaves de
plaques de marbre et des ruptures continuent de se produire, sans doute
par
différence de dilatation entre marbre et grès (fig. 4 et
5).

Fig.
4 - Tombe de Humayun à Delhi, chutes de plaques de marbres
encastrées dans le grès

Fig. 5 -
Tombe de Humayun à Delhi, cintrage de plaques de marbre
Le Taj Mahal à
Agra a été construit par Shah Jahan, à
partir de 1631 : c'est une structure en maçonnerie de briques
hourdées au
mortier de chaux aérienne, revêtue
de
marbres blancs d'une épaisseur 15 à 20 cm, avec
incrustations de marbre noir :
l'ensemble est agrafé au support et monté à joints
vifs. La qualité des
marbres, qui proviennent de nombreuses carrières, est
très variable ; en outre
des marbres de récupération, de 400 à 800 ans
d'âge, ont été employés. Les
tassements différentiels entre maçonnerie et marbre (qui
ont des modules
d'élasticité distincts) ont causé diverses
ruptures dans le passé : ces plaques
ont été changées au fur et à mesure. De nos
jours, bien que les tassements
soient terminés, les dégradations persistent : on observe
des fissures et des
épaufrures (fig. 6 à 8), qui sont à notre avis
d'origine thermique. La
température de l'air varie entre 1 °C en hiver à 50
°C en été ; mais la
température du revêtement, surtout pour les marbres noirs,
atteint certainement
des valeurs supérieures. Les dégâts actuels sont
attribuables à la simple
dilatation des marbres, qui induit des contraintes de compression, du
fait de
l'absence de joints de dilatation : il serait intéressant, comme
pour la tombe
de Humayun, de mesurer ces contraintes en été et en hiver
(par les technique de
libération des contraintes), d'effectuer des examens
pétrographiques et de
mesurer les propriétés physiques en les comparant
à celle des marbres des
carrières de Makrana.

Fig. 6 - Taj Mahal à Agra,
fissuration d'un panneau de marbre à l'entrée

Fig.
7 - Taj Mahal à Agra, fracturation de panneaux d'encadrements
à l'entrée

Fig.
8 - Dégradations du revêtement extérieur du
dôme du Taj Mahal
France

Fig. 9 - Plaques cintrées au sommet
de la Grande Arche de La Défense
Fig. 10 - Vue verticale du sommet de la
Grande Arche, tendance à la fermeture des joints par cintrage des
plaques

Fig. 11 - Fissuration
périphérique d'une plaque de la Grande Arche
Certaines rues
de Paris ont été récemment pavées en
petits cubes de marbre de Carrare de 65 mm d'arête, sciés
sur deux faces ; les
cubes sont posés sur sable stabilisé, avec jointoyage au
mortier. On a constaté
qu'en été le pavage du centre de la chaussée ou de
carrefours se soulève en
voûte sur environ 2 cm (fig. 12 à 14). Cette
déformation résulte de la
dilatation thermique, car aucun joint de fractionnement n'a
été ménagé ; de
plus le bord supérieur des pavés de faible qualité
s'écaille sous la
contrainte. La mesure de la vitesse de propagation du son au CEBTP
montre que
la qualité du marbre est très variable, puisque les
mesures s'étendent entre
2000 et 7000 m/s. La bonne corrélation constatée entre la
vitesse de
propagation du son et la résistance au fendage des
différents marbres confirme
la variabilité de la qualité.

Fig. 12 - Directions de mesure de la
dilatation thermique sur les pavés de Paris

Fig. 13 - Soulèvement en
voûte de pavés de marbres à Paris en
été, quartier Montorgueuil

Fig. 14- Coefficients de dilatation
thermique de pavés de marbre à Paris
Les études au microscope pétrographique et au MEB
montrent
que les variétés à grande vitesse du son sont
formées de grains à sutures
engrenées, tandis que les variétés lentes, plus
faiblement métamorphiques,
possèdent des grains fins à contour polygonal en
mosaïque.
Les mesures
des coefficients de dilatation thermique ont été
faites selon trois directions perpendiculaires, elles montrent que la
dilatation est différente selon les directions, en
particulier pour les échantillons ayant des vitesses de
3000 à
4300 m/s : un échantillon à 3500 m/s par exemple a des
coefficients de
dilatation de 1,8 - 8,3 et 6,7.310-6/°C.
- perte du
poli et dissolution sous l'effet de la
pluie, surtout dans les atmosphères riches en gaz carbonique,
- formation
de taches brunes par oxydation de la
pyrite,
-
différences d'élasticité entre support
(maçonnerie, béton)
et revêtement, tassements du support par fluage,
-
éclatements au niveau d'attaches en acier, par gonflement
sous l'effet de la rouille. Ce type ne se rencontre plus que dans les
monuments
anciens (Inde) et dans les réparations malencontreuses faites
par le passé
(Parthénon) : les attaches sont de nos jours en métaux
inoxydables.
-
cristallisation de gypse dans les atmosphères
polluées par des gaz sulfureux (provenant de la combustion de
charbon et de
produits pétroliers) : l'eau de condensation se charge en acide
sulfurique, qui
attaque la calcite et produit du gypse. La cristallisation du gypse
s'accompagne d'une augmentation de volume, qui peut
désagréger les roches
poreuses.
- dilatation
hydrique : en soumettant des marbres à
des cycles de trempage et de séchage, on a constaté des
expansions permanentes
de 50 à 248.10-6, les plus fortes
valeurs correspondant aux marbres ayant la plus forte absorption d'eau.
De plus
on constate que des contraintes différentes apparaissent sur
chaque face, ce
qui entraîne un léger cintrage des plaques (rayon de
courbure entre 219 et 1984
m).
-le
gel,
quand de l'eau s'introduit dans les espaces intergranulaires : on sait
que la
pression de cristallisation de la glace est considérable (61 MPa
à -5°C, 113
MPa à -10°C). La résistance à l'extension du
marbre de Carrare étant de 10 à 23
MPa, un gel à -2°C suffirait à
désagréger la roche si les pores se trouvaient
saturés d'eau. Cependant la porosité des marbres de
qualité est faible, de
l'ordre de 1 %), et le gel ne semble pas un risque grave pour les
marbres ; en
outre, la décohésion granulaire se rencontre aussi dans
des climats sans gel comme
celui de la Gulf Coast.
- la relaxation
de contraintes : dans certaines
carrières de Carrare le
massif de marbre est soumis à des contraintes actuelles,
d'origine tectonique,
se marquant par la tendance à la fermeture des traits de sciage.
Une grande partie
des contraintes est libérée au cours de l'extraction des
blocs et du sciage des
tranches ; s'il en subsistait, elles pourraient causer un cintrage des
plaques
de revêtement, mais ce cintrage se manifesterait
par des bombements tantôt convexes tantôt concaves,
car les
plaques sont posées au hasard.
- la dilatation
thermique : toutes les roches
ornementales se dilatent (fig. 15), avec des coefficients compris
généralement
entre 2 et 13.10-6/°C (soit 2 et 13
µm/m.°C). L'allongement d'une longueur de 10 m, passant de 0
à 80°C, est donc
compris entre 1,6 et 10,4 mm. En comparaison le coefficient de
dilatation du
béton est de 10 à 12, celui de l'acier de 11 ; certains
métaux et alliages sont
beaucoup plus dilatables, comme le laiton (20), l'aluminium (23), le
plomb
(29), et beaucoup plus pour les résines de synthèse. Les
DTU prévoient de
subdiviser les grandes surfaces de roches de revêtement par des
joints de
dilatation souples, selon des règles précises. En
l'absence de tels joints, les
roches chauffées par le soleil se dilatent plus que la
maçonnerie ou les
supports métalliques, et des contraintes s'accumulent dans le
revêtement ;
elles sont absorbées dans un premier temps par
déformation élastique, puis
conduisant à des ruptures au delà d'un certain seuil.
C'est le cas des pavés de
rues de Paris, jointoyés au mortier, et des monuments indiens
où le marbre a
été posé à joints vifs.
- la décohésion
granulaire apparaît comme une
conséquence de la dilatation thermique, mais elle produit une
déformation
irréversible alors que la dilatation simple est
réversible), et une chute des
caractéristiques mécaniques de la roche. Nous allons voir
comment elle
s'explique par l'anomalie de dilatation de la calcite.
La calcite,
composant principal des marbres et des
calcaires, est également anisotrope, mais de plus la dilatation
est négative
selon certaines directions cristallographiques (fig. 16):
- suivant
l'axe de symétrie d'ordre 3 (ou axe c), le
coefficient de dilatation est très élevé (20
à 24.10-6/°C ), du même ordre de
grandeur que celui de métaux très
dilatables comme l'aluminium et le magnésium,
- dans les
directions perpendiculaires à c, le coefficient
est négatif (-4 à -7.10-6), c'est à dire que le cristal se
rétracte quand on le chauffe

Fig. 15 - Schéma de dilatation dans
les minéraux


Fig. 17 - Les cycles thermiques successifs entre les
températures T1 et T2 laissent une porosité
résiduelle, mesurable sur l'axe des déformations
(expansion volumique)
Dilatation
des calcaires et des marbres
Dans les marbres
calcaires les valeurs publiées
s'étendent suivant une gamme très large allant de 1
à 16, avec parfois des
valeurs négatives (Macael). L'anisotropie de dilatation
des marbres a
été clairement mise en évidence dès 1949
par Rosenholtz et Smith sur les marbre
de Yule (Colorado) et de Crestmore (Californie) : ce sont des marbres
dont les
cristaux ont une orientation préférentielle, la
dilatation étant beaucoup plus
forte le long de cette orientation que dans le sens perpendiculaire.
Ces
auteurs ont aussi mis en évidence un autre
phénomène important : à la fin du
premier cycle de chauffage, les échantillons ne reviennent pas
à leur longueur
initiale, il reste une déformation résiduelle.
Soumettant alors le
marbre à un second cycle, ils constatent que la dilatation est
beaucoup plus
faible qu'au premier.
Plusieurs
auteurs ont depuis complété ces études, dont les
résultats se résument comme suit :
-
l'anisotropie de dilatation est fréquente dans les marbres
: les marbres à cristaux orientés, comme celui de Saint
Béat, sont les plus
anisotropes, avec une dilatation négative perpendiculairement
aux axes.
- le
chauffage se traduit par l'ouverture de microfractures
entre les grains, qui créent une porosité et une
perméabilité (communications
entre pores, permettant le passage des fluides). Ces ouvertures
apparaissent à
partir de seuils variables, parfois dès 40 à 50°C ;
elles se traduisent par
l'émission de bruits ultrasoniques.
- pendant le
refroidissement les microfractures se
referment, avec émission d'autres microbruits; mais la fermeture
est
incomplète, sans doute à cause de frottements entre
grains, l'échantillon ne
revient pas à ses dimensions d'origine, il reste alors une
porosité résiduelle
(fig. 17).
- la
porosité résiduelle s'accroît au cours des cycles
successifs, tendant vers une limite : les premiers cycles de chauffage
sont les
plus actifs dans l'ouverture des microfractures.
- la
porosité résiduelle abaisse notablement la
résistance
mécanique du marbre.

Fig. 18 - Apparition de contraintes
de tension, avec ouverture des joints, entre des cristaux de calcite
d'orientation différente

Fig. 19 - Socle en marbre blanc
craquelé, Grand Trianon de Versailles
Les granites
sont aussi soumis à la décohésion
granulaire : l'examen de monuments antiques (Delos, Evora), où
le granite a été
employé en concurrence avec le marbre, révèle que
le granite est plus
facilement désagrégé que le marbre. Même des
monuments du Moyen Age (Saint
Jacques de Compostelle, Avila) montrent des granites très
altérés. Toutefois la
désagrégation granulaire n'a pas encore été
signalée sur les revêtements de
façades récents en granites.
Une roche
monominérale à cristaux parfaitement orientés a
une dilatation fortement anisotrope, mais les contraintes entre grains
sont
faibles.
Dans les
roches à grains non orientés la dilatation globale
est isotrope, tandis que de fortes contraintes apparaissent entre
grains de
nature ou d'orientation différente, conduisant à la
séparation des grains.
On sait que
la présence d'eau dans la roche favorise
la propagation des fractures : dans les essais en compression simple et
en
extension, la résistance de la roche est notablement
diminuée en présence
d'eau.
Dans les marbres
compacts l'effet de l'eau reste
superficiel (dissolution, perte du poli), mais dès que la roche
est soumise à
des cycles thermiques une porosité de microfractures se
développe : si les
grains ont des orientations statistiquement quelconques, la dilatation
globale
est isotrope, mais des contraintes apparaissent aux limites de grains,
qui
tendent à se séparer. Lorsque la température
redescend, les microfractures
entre grains ne se referment pas complètement, il
reste une porosité résiduelle, qui peut se cumuler
au cours de
cycles successifs et causer le cintrage des plaques.
Une fois cette porosité communicante établie,
l'eau peut
s'infiltrer ou se condenser, et divers types d'altérations
interviennent
librement (dissolution, cristallisation de sels, attaque acide par le
gaz
carbonique et le gaz sulfureux, gonflement du gypse, gel). La plus
forte
dilatation des marbres s'observe lors des premiers cycles thermiques,
elle
diminue au cours des cycles ultérieurs, d'où
l'intérêt de disposer
d'échantillons de comparaison n'ayant jamais été
soumis aux intempéries.
Le
phénomène est particulièrement grave pour les
marbres de
revêtements de façades, posés en épaisseur
mince. L'absence de joints
élastiques est une cause évidente de
détériorations (Taj Mahal en Inde, pavés de marbre
à Paris). Il est évident que
les plaques doivent être suspendues librement, ou que des groupes
de plaques
doivent être séparés par des joints souples
(conformément aux DTU), de manière
telle que des contraintes ne puissent se développer.
Cependant,
même avec des joints correctement mis en place,
certains marbres subissent la décohésion granulaire. Il
convient de détecter
avant la pose les types enclins à cette maladie, en vue de
prévenir de nouveaux
accidents. On devrait enregistrer les
températures réelles dans des plaques de façades,
en même temps que la teneur
en eau, pour évaluer les températures extrêmes, les
vitesses de variation de la
température, les gradients
thermiques
dans la roche. En fonction de ces données, il serait possible de
fixer les
conditions d'un test, applicable tant aux marbres qu'aux calcaires et
aux
granites, et évaluer les dégâts invisibles par des
mesures non destructives
(vitesse du son, atténuation de la fréquence de
résonance fondamentale, etc.).
Il est également possible par ces mesures de suivre
l'évolution de la
décohésion sur une façade, avant que le cintrage
des plaques ne devienne
manifeste.
Des
propositions vont être faites, dans le cadre de la
normalisation européenne sur les pierres naturelles, et dans le
groupe de
travail que la France anime (CEN/TC 246 WG2) :
- une norme
de mesure du coefficient de dilatation
thermique,
- une norme d'essai
de vieillissement accéléré par
chocs thermiques avec humidification. Le groupe de travail aura ensuite
la
lourde tache de proposer les spécifications correspondantes.
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