Altération des verres de vitraux et des pierres calcaires: une méthodologie innovante pour étudier les mécanismes et les cinétiques – GLAM

Pour prédire les vitesses d’altération de verres de vitraux et de calcaires 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 avons mis en place des expérimentations en environnement contrôlé afin d’altérer des matériaux dans des conditions réalistes de pluie, de condensation et des 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 ont été étudiés : sains, altérés en laboratoire, et exposés à moyen et à long terme à un environnement réel. Leur altération en laboratoire a été couplée avec des traçages isotopiques de transfert d’eau (D218O) et des zones de formation des phases secondaires (18O et 29Si). Ainsi, 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) a permis de localiser les zones de réaction afin déterminer les mécanismes et les cinétiques d'altération. Ces paramètres expérimentaux ont ensuite été utilisés comme données d’entrée dans un modèle numérique d'altération géochimique. Différentes conditions climatiques ont été testées afin d'évaluer leur impact sur la durabilité des matériaux. La robustesse des modèles sera validée par comparaison des données de sorties avec les faciès d'altération de matériaux issus de monuments historiques.

Les mécanismes et les cinétiques d'altération des verres de vitraux et des pierres calcaires ont pu être déterminés expérimentalement pour différentes conditions environnementales (ruissellement, humidité relative, milieu marqué ou non). Leur implémentation dans un modèle géochimique pour simuler l’altération des vitraux et des calcaires sur le long-terme a permis de reconstruire un scénario général de l’histoire de l’altération de ces matériaux. Par ailleurs, le rôle des couches d’altération sur l’altération ultérieure a été également été évalué. Ces résultats intéressent donc les restaurateurs / conservateurs pour mettre en œuvre leur stratégie de nettoyage, mais également les recherches menées sur le comportement des verres de stockage des déchets radioactifs en phase vapeur.

Le projet ANR JCJC GLAM est un projet de recherche fondamentale coordonné par Mandana Saheb, du LISA. Il associe aussi le LRMH. Le projet a commencé en octobre 2014 et a duré 54 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 388 584 €.

Dix publications sur les résultats du projet GLAM ont été rédigées : 5 articles publiés dans des revues de rang A et 5 actes de conférence. Un article méthodologique sur les protocoles d’altération en atmosphère simulée est paru en 2018. Quatre articles internationaux concernent la compréhension des mécanismes d’altération des calcaires et des verres de vitraux ont été acceptés. Les résultats des expériences de marquage en D218O en conditions humides et sèches sur les deux matériaux ont également fait l’objet de publications. Les données issues des modélisations thermodynamiques ont été présentées lors de conférences et seront soumises à des revues internationales.

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.