La résistance au feu de la pierre naturelle intéresse les chercheurs

Quel est l'impact de la haute température sur les ouvrages en pierre naturelle ? C'est la question à laquelle tente de répondre Martin VIGROUX, Ingénieur-Docteur au CTMNC et doctorant, au travers d'études scientifiques menées avec d'éminentes organisations du secteur. Si ces recherches sont toujours en cours, il nous en a dévoilé les premiers résultats lors de la conférence « La résistance au feu de la pierre naturelle » sur le salon Rocalia 2021.

Évaluer la résistance au feu de la pierre naturelle pour mieux anticiper les incendies

Les conséquences d'un incendie sur un bâtiment culturel peuvent être dramatiques. Aux éventuelles pertes humaines se rajoutent des répercussions économiques importantes avec de longs et coûteux chantiers de restauration, mais aussi la disparition d'un patrimoine unique. On se souvient avec émotion de l'incendie du palais du Parlement de Bretagne en 1994, celui du château de Lunéville en 2003, de l'hôtel de ville de La Rochelle en 2013 ou plus récemment de la cathédrale Notre-Dame de Paris en 2019.

Avec ce projet de recherche baptisé POSTFIRE, lancé en novembre 2020, Martin VIGROUX et ses partenaires souhaitent :

• développer les connaissances scientifiques sur la maçonnerie de pierre exposée aux hautes températures ;
• créer une base de données permettant d'alimenter des modélisations numériques ;
• proposer des recommandations pour l’évaluation après incendie des bâtiments du patrimoine culturel en maçonnerie en France.

En parallèle, une seconde thèse de doctorat (collaboration CTMNC-CSTB) avec une visée de modélisation numérique est en cours. On peut tout à fait imaginer que ces données seront utilisées à l'avenir dans les modèles BIM. Ces études sont toujours en cours, mais les premières conclusions ne manquent pas d'intérêt !

Une méthodologie faisant intervenir plusieurs échelles d'étude

Pour obtenir ces résultats, une douzaine de pierres calcaires ont été sélectionnées, ce qui assurent une large représentativité de leurs propriétés physico-mécaniques : 

• la porosité et masse volumique ;
• la résistance en compression ;
• la conductivité thermique ;
• la perméabilité à l'eau ;
• etc.

Les essais de caractérisation sur les différentes pierres ont eu lieu en laboratoire sur un large échantillonnage qui a subi un traitement thermique spécifique : 200°C, 400°C, 600°C puis 800° avec un pallier de maintien de température pendant 1h. Des assemblages de pierre et mortier ont ensuite été testés avec des reconstructions de maquettes. Enfin, l'étude va réaliser des maquettes de mur en pierre calcaire de 3x3 m, et d'une épaisseur de 20 cm pour reproduire les risques d'un incendie sur un ouvrage maçonné en pierre naturelle.

Couleur, performances mécaniques et transfert hydrique de la pierre naturelle : aperçu des premiers résultats

Colorimétrie de la pierre soumise au feu

Les premières modifications de teinte interviennent dès 400°C, lorsque les pierres calcaires contenant des minéraux ferreux deviennent rougeâtres. À partir de 600°C, toutes les pierres calcaires s'assombrissent à cause de la combustion de la matière organique. À 800°C, on observe un blanchiment de la pierre calcaire dû à la décarbonatation de la calcite, qui donne de la chaux. Problème : lorsque ce matériau se réhydrate au contact de l'air ambiant, la pierre devient plus friable !

Altération des performances mécaniques

L'étude a montré que, jusqu'à 400°C, chacune des pierres étudiées supportait des variations modérées de la résistance à la compression avec une baisse allant jusqu'à 15 % de leurs performances. Au-delà, les pertes sont plus prononcées et on observe des disparités entre ces pierres calcaires qui réagissent mieux que le grès, ce dernier pouvant perdre jusqu'à 70 % de ses capacités.

Les pierres constituées de grains de grandes dimensions associées à une matrice liante faible résistent moins bien aux hautes températures. La composition minéralogique des pierres joue également un rôle : les pierres monophasiques présentent un meilleur comportement face au feu que les pierres polyphasiques.

Fait intéressant, l'étude a mis en évidence une corrélation entre la résistance à la compression — qui s'évalue avec une méthode dite destructive — et des paramètres découlant de techniques non-destructives comme le module d'élasticité dynamique, mais aussi d'observations tirées de la colorimétrie.

Modification du transfert hydrique

L'étude a constaté qu'une haute température augmentait le niveau de fissuration de la pierre, ce qui décuple sa porosité puis entraîne une augmentation de la capillarité à l'eau des pierres. Des données intéressantes pour envisager la phase « post-incendie », puisque cela a un impact important sur la durabilité de la pierre.

Retrouvez 6 avantages de construire en pierre naturelle

Grâce à la recherche, il sera possible de mieux anticiper les risques causés par les incendies sur le patrimoine culturel et faciliter la réparation des bâtiments après un sinistre. Pour en savoir plus, assistez à la journée technique du CTMNC le 23 juin !

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