Résultats d’essais mécaniques de la pierre

Afin de caractériser l’état physico-chimique du matériau, des échantillons de matériaux choisis de la même façon que pour les simulations précédentes (lors d’une acquisition in situ), à travers un protocole bien précis, subissent des simulations dans le cadre des caractérisations expérimentales [Perales, F. et al, 2005]. C’est le cas des pierres utilisées pour la construction de l’église Saint Maurice de Caromb [Bagnéris M. et al., 2014]. Nous présentons, dans cette partie, deux essais caractéristiques afin de mettre en évidence la résistance à la rupture et la rigidité du matériau (Figure 48) :

 L’essai de compression uniaxiale permet de solliciter le matériau en compression pure à vitesse constante dans la direction longitudinale selon des normes spécifiques. Il utilise des échantillons cylindriques. Lors de l’essai, les déplacements horizontaux du matériau sont autorisés et sont possible par l’utilisation de disques en téflon intercalés entre les faces de l’échantillon et les plateaux de la machine, afin d’assurer un état de compression pure et homogène. Une caméra peut être placée devant le poste d’expérimentation afin d’acquérir des images à un intervalle de temps régulier et ainsi, par corrélation d’images, obtenir des champs de déformation de l’échantillon au cours de l’essai.

 L’essai de fendage ou « Brésilien » permet quant à lui de solliciter le matériau en traction, dans la direction radiale, en utilisant également des échantillons cylindriques.

65 Le dispositif contraint le matériau jusqu’à la rupture. La force maximale mesurée permet d’évaluer la contrainte de traction horizontale lors de l’apparition d’une fissuration verticale.

Figure 48 : Dispositifs pour la résistance à la rupture et la rigidité.

Protocole :

Les échantillons (carottes) sont tout d’abord soumis à un séchage (dans un four à 65 °C) pendant 48 heures afin de définir leur masse sèche. Étant donné que les propriétés mécaniques de la pierre dépendent fortement de la teneur en eau massique, les échantillons sont ensuite divisés en cinq groupes soumis à des taux d’humidifications différents pour obtenir des échantillons avec des teneurs en eau distincts ; ceci pour couvrir la gamme complète de l’état à sec de la pierre à l’état saturé.

Résultats :

Les résultats bruts montrent de très grandes variabilités en comparaison avec d’autres matériaux de construction.

La Figure 50 et la Figure 52 montrent respectivement l’évolution de la résistance en traction RT et de la résistance à la compression RC, du module de Young E en fonction de la teneur en

eau massique w. Quatre types de pierre ont ainsi été étudiés, dont la pierre jaune (CA) et la pierre grise (CG) de Caromb, dans les deux directions d’orthotropie. Les symboles ∥ et ⊥ signifient respectivement, « parallèle » et « perpendiculaire » au lit de la pierre.

Pour chaque propriété, une modélisation empirique est proposée écrite sous la forme [Vásárhelyi B. et al., 2006] :

𝑅𝑇 , 𝑅𝐶 = 𝑎 𝑒−𝑏 𝑤 + 𝑐

où 𝑎, 𝑏 et 𝑐 sont trois constantes dont les valeurs numériques sont données par les Figure 49 et Figure 51, définies grâce aux deux essais. Le pourcentage de chute, donné sur la dernière ligne, représente la baisse des propriétés mécaniques de l’état sec à l’état saturé en eau.

66 Ceux-ci sont des exemples de simulation qu’il est possible de réaliser. Il est possible de générer d’autres caractérisations, que ce soit chimique, physique et/ou acoustique [Beck K., 2006], comme par exemple, l’utilisation du coefficient de Poisson, des tests de sollicitations pour des contraintes à la rupture, pour des contraintes à la déformation, pour définir des propriétés mécanique. Il est possible de déterminer également des caractéristiques hydriques (rétention d’eau, capillarité, perméabilité, cinétique d’évaporation et diffusivité) et des caractéristiques thermiques (conductivité, capacité thermique ou calorifique).

Figure 49 : Coefficient du modèle décrivant la résistance en traction pour quatre types de pierre [Bagnéris M. et al., 2014].

Figure 50 : Résistance en traction de la pierre jaune de Caromb (CA) en fonction de la teneur en eau [Berthonneau J. et al., 2012].

Figure 51 : Coefficients du modèle décrivant la résistance en compression pour quatre types de pierre [Bagnéris M. et al., 2014].

67 Figure 52 : Résistance en compression de la pierre jaune de Caromb (CA) en fonction de

la teneur en eau [Bagnéris M. et al., 2014].

Toutes ces données obtenues peuvent être saisies dans des outils de simulations informatiques afin de rendre prévisible, l’apparition de phénomènes sur des structures complexes telles que les maçonneries, en créant des modèles géométriques numériques pour le calcul du comportement mécanique.

C’est le cas de la plateforme LMGC90 [Dubois F. et al., 2011] [Berthonneau J. et al., 2016] avec laquelle il est possible de créer un modèle numérique de calcul de bloc de pierre (contextualisé comme faisant partie d’un appareil de maçonnerie) dont la face extérieure, à l’air libre, est discrétisée très finement sur 5 cm de profondeur. C’est la face la plus soumise aux contraintes environnementales. L’objectif de ce modèle numérique est, dans le cas du projet MONUMENTUM, de décrire un phénomène de dégradation caractéristique présent sur la façade de l’église Saint-Maurice : la desquamation en plaque (Figure 53). L’outil LMGC90 récupère les propriétés (provenant des essais en laboratoire (transferts d’eau par capillarités, perméabilité de la pierre étudié et son comportement mécanique) afin de caractériser le modèle numérique de calcul pour la simulation. Dans cet outil, la pierre est décrite comme étant une entité matérielle élastique dilatante et dépendante du champ de teneur en eau. Après une simulation sur le modèle numérique, appelée « simulation quasi-statique linéaire », il est possible de retirer des informations relatives à chaque pierre et ainsi faire des comparaisons en proposant de premières hypothèses quant à l’explication de l’apparition du phénomène complexe d’altération [Bagnéris M. et al., 2011][Cherblanc F. et al., 2016]. Dans la section 2.4.3.2.1., nous présentons les différents types d’informations que l’on peut ressortir. Ce calcul numérique peut être étendu sur l’ensemble d’un bâtiment avec plusieurs niveaux de granularité (interaction des blocs jusqu’à l’interaction des composants architecturaux).

68 Figure 53 : Exemple de modèle géométrique maillé d'un bloc de pierre paramétré.