Projet ANR-14-CE22-0007 – GLAM : Altération des verres de vitraux et des pierres calcaires: une méthodologie innovante pour étudier les mécanismes et les cinétiques
Programme : Systèmes urbains durables (DS0601)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Mandana Saheb (Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 388583.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : Comprendre et prévoir l'altération des matériaux du patrimoine: cas des vitraux et des pierres calcairesDans le contexte de la préservaton du patrimoine culturel et du changement climatique, le projet GLAM vise à étudier l'altération de deux matériaux utilisés dans le patrimoine bâti et exposés à un environnement urbain en perpétuelle évolution.
Comprendre l'altération des verres de vitraux et des pierres calcaires pour proposer une meilleure gestion du patrimoine bâtiLes matériaux exposés à un environnement urbain sont soumis à des processus d’altération, qui dépendent de l’évolution des conditions environnementales (urbanisation densifiée, changements environnementaux). Dans ce contexte, les recherches axées autour du développement durable sont devenues un enjeu majeur. De plus, le bâti n’est pas limité à des constructions récentes, mais concerne également  des constructions anciennes que l’on a souhaité préserver dans un but culturel et touristique. Leur conservation constitue donc un défi environnemental, économique et culturel. Ainsi, le projet GLAM vise à modéliser les processus d’altération de  deux matériaux (les verres de vitraux et les pierres calcaires) utilisés dans des monuments historiques exposés à une zone urbaine. Ce projet interdisciplinaire rassemble des scientifiques de différentes communautés (patrimoine culturel, sciences de l'environnement, des matériaux, de la physique et de la géochimie) afin de proposer une méthodologie innovante visant à comprendre l'altération des matériaux du patrimoine bâti et à développer des modèles d'altération permettant d'évaluer l'impact des changements climatiques et de la pollution sur leur altération. Ainsi, les résultats du projet GLAM auront des retombées majeures dans la communauté des sciences de l'environnement et de la conservation. Ce projet permettra d’élaborer des stratégies plus adaptées pour la préservation du patrimoine culturel. De plus, il fournira des outils d’évaluation de l'impact de la pollution sur le bâti, cet axe étant devenu un critère dans les politiques de réduction et de prévention de la pollution.
Mise en place d'une méthodologie d'étude de l'altération alliant données de terrain, expérimentations en laboratoire et simulations numériquesPour prédire les vitesses d’altération de verres de vitraux et de calcaire dans un environnement en perpétuelle modification (changement climatique et évolution de la pollution), il est nécessaire de construire un modèle géochimique reposant sur des processus physico-chimiques et des paramètres cinétiques. Dans ce but, nous proposons de mettre en place des expérimentations en environnement contrôlé afin d’altérer des matériaux dans des conditions réalistes de pluie, de condensation et de conditions insaturées. Pour évaluer le rôle de la formation de la couche d'altération sur les cinétiques d’altération, des matériaux présentant différents états d'altération sont étudiés : sains, altérés en laboratoire, et exposés à moyen et à long terme à un environnement réel. Leur altération en laboratoire est couplée avec des traçages isotopiques de transfert d’eau (D218O) et des zones de formation des phases secondaires (18O, 29Si, 13C et 34S). Ceci permettra de localiser les zones de réaction afin de fournir des données sur les mécanismes et la cinétique d'altération. En outre, une caractérisation fine des conditions environnementales (solution altérante, température, humidité relative, composition de l'atmosphère) et des matériaux (identification multi-échelle du faciès d’altération et du réseau de pores/fissures) fournira une formalisation conceptuelle des mécanismes. Tous ces paramètres expérimentaux seront utilisés comme données d’entrée dans un modèle numérique d'altération géochimique. La robustesse de modèle sera validée par comparaison des données de sorties avec les faciès d'altération de matériaux issus de monuments historiques. De plus, différents types de scénario climatique seront testés afin d'évaluer leur impact sur la durabilité des matériaux.
Résumé de la soumission : Les matériaux exposés à un environnement urbain sont soumis à des processus d'altération, qui dépendent de l’évolution des conditions environnementales (urbanisation densifiée, changements environnementaux). Dans ce contexte, les recherches axées autour du développement durable sont devenues un enjeu majeur. De plus, le bâti n’est pas limité à des constructions récentes, mais concerne également  des constructions anciennes que l’on a souhaité préserver dans un but culturel et touristique. Leur conservation constitue donc un défi environnemental, économique et culturel.Pour prédire les vitesses d’altération de verres de vitraux et de pierres calcaires - deux matériaux largement utilisés dans le patrimoine bâti - dans un environnement en perpétuelle modification (évolution climatique et évolution de la pollution), il est nécessaire de construire un modèle géochimique reposant sur des processus physico-chimiques et des paramètres cinétiques.Ainsi, le projet GLAM vise à modéliser les processus d’altération de ces deux matériaux utilisés dans des monuments historiques exposés à une zone urbaine. Ces matériaux ont également été sélectionnés parce qu'ils différent en terme de composition chimique et de porosité, ce qui devrait permettre au modèle de couvrir une large gamme de matériaux.Dans ce but, nous proposons de mettre en place des expérimentations en environnement contrôlé afin d’altérer des matériaux dans des conditions réalistes de pluie, de condensation et de conditions insaturées. Pour évaluer le rôle de la formation de la couche d'altération sur les cinétiques d’altération, des matériaux présentant différents stades d'altération seront analysés: sains, altérés en laboratoire, et exposés à moyen et à long terme à un environnement réel. Leur altération en laboratoire sera couplée avec des traçages isotopiques de transfert d’eau (D218O) et des zones de formation des phases secondaires (18O, 29Si, 13C et 34S). Ceci permettra de localiser et de quantifier les zones de réaction afin de fournir des données sur les mécanismes et la cinétique d'altération. En outre, une caractérisation fine des conditions environnementales (solution altérante, température, humidité relative, composition de l'atmosphère) et des matériaux (identification multi-échelle du faciès d’altération et du réseau de pores/fissures) fournira une formalisation conceptuelle des mécanismes. Tous ces paramètres expérimentaux seront utilisés comme données d’entrée dans un modèle numérique d'altération géochimique. Deux approches de modélisation numérique seront développées en parallèle et comparées : une approche géochimique couplant chimie et transport, et un modèle de réseau de pores permettant d'évaluer la validité des hypothèses simplificatrices sur le transport et de renforcer la robustesse du modèle géochimique.Ce projet interdisciplinaire rassemble des scientifiques de différentes communautés (patrimoine culturel, sciences de l'environnement, des matériaux, de la physique et de la géochimie) afin de proposer une méthodologie innovante visant à comprendre l'altération des matériaux du patrimoine bâti et à développer des modèles d'altération permettant d'évaluer l'impact des changements climatiques et de la pollution sur leur altération.Ainsi, les résultats du projet GLAM seront auront des retombées majeures dans la communauté des sciences de l'environnement et de la conservation. Ce projet permettra d’élaborer des stratégies plus adaptées pour la préservation du patrimoine culturel. De plus, il fournira des outils d’évaluation de l'impact de la pollution sur le bâti, cet axe étant devenu un critère dans les politiques de réduction et de prévention de la pollution.
Résultats : Les mécanismes d'altération des verres de vitraux ont pu être déterminés grâce aux expériences de traçage en 29Si. L'échange d'ions entre les protons en solution et les alcalins du verre conduisent à des réactions de dissolution - précipitation au sein de la couche d'altération. Une fois formée, les traçages en D et 18O ont montré que cette pellicule ne ralentissait pas le transport de la solution en son sein et les cinétiques sur le long-terme ont pu être déterminées en présence de pluie et d'humidité relative. Celles-ci sont cohérentes avec les vitesses apparentes déterminées sur les vitraux anciens. Ces résultats peuvent intéresser les restaurateurs / conservateurs dans leur choix de retirer les produits d'altération lors de leurs opérations de nettoyage. Par ailleurs, ces travaux ont également initié des collaborations avec les laboratoires de conservation des objets en verre au sein des musées et les chercheurs du CEAEA qui étudient le comportement des verres de stockage des déchets radioactifs en phase vapeur. Concernant les pierres calcaires, l'altération par bruine en milieu dopé en D montre que ce type d'altération ne permet qu'une faible pénétration de l'eau dans l'échantillon. En conditions de dépôt sec et humide, la présence de la couche d'altération ne semble pas jouer de rôle protecteur dans l'altération ultérieure du matériau.
Perspectives : Ces résultats constituent une première étape dans le développement d'un modèle prédictif de l'altération utiles à la fois aux restaurateurs et aux études d'impact de la pollution sur le bâti.
Publications et brevets : Six publications ont été rédigées depuis le début du projet : 3 articles soumis ou acceptés à des revues de rang A et 3 actes de conférence. Un article méthodologique sur les protocoles d’altération en atmosphère simulée est publié (Chabas et al., 2015) à Environmental Science and Pollution Research. Deux articles concernent la compréhension des mécanismes d’altération, un sur les calcaires (Saheb et al.) est accepté à la revue Corrosion Science et un sur les vitraux (Verney-Carron et al.) à Geochemica and Cosmochemica Acta. Les résultats des expériences de marquage en D218O en conditions humides ont été présentés à la conférence AIG et publiés à Procedia Earth and Planetary Science (Saheb et al., 2015 et Verney-Carron et al., 2015). Enfin, une partie des résultats obtenus sur des expériences similaires mais à humidité relative contrôlée ont fait l’objet, pour les vitraux, d’un proceeding pour la conférence ‘15th Water-Rock Interaction International Symposium’ (Sessegolo et al.).