Les glucides existent sous deux formes :

1. les glucides simples appelés oses (monosaccharides et disaccharides) comme le glucose, le fructose, le saccharose - contenus dans les fruits, le miel, le sucre, la plupart des éléments sucrés -, le lactose - contenu dans le lait - ;
2. les glucides complexes appelés osides (polysaccharides), comme l'amidon ou la cellulose contenus dans les féculents -céréales, légumineuses, pâtes, riz - et qui sont composés de centaines de molécules.

Nos deux camarades Fadi et Sarah sont de nouveau enfermés dans une pièce du manoir. Comme à son habitude, le professeur « Blouseblanche » ne laissera sortir les deux aventuriers que s’ils résolvent la nouvelle énigme : retrouver la recette du gâteau-des-savants. Ils ne pourront en sortir qu’en trouvant un moyen de compléter la recette et de trouver la masse totale de la pâte du gâteau-des-savants correctement préparé. Sauras-tu leur venir en aide ?

Les différentes utilisations et les supports dédiés

• Pour une résolution utilisant uniquement des supports papier :
  • Le livret élève à distribuer (énigme papier)
  • Le guide enseignant (énigme papier)
     
• Pour une résolution mixant supports papier et numérique :
  • Le livret élève à distribuer (énigme numérique)
  • Le guide enseignant (énigme numérique)
  • Les vidéos de présentation de l'énigme et la résolution sont accessibles via un QRcode sur le livret élève
  • Les QRcodes des vidéos des indices sont dans le guide enseignant (à imprimer pour distribuer aux élèves si besoin)

La corrosion présente un enjeu économique considérable, avec un coût de l’ordre de 3 % du produit intérieur brut mondial ; on peut dire que la corrosion coûte 1 euro par jour à chaque Français ! Des organisations internationales s’occupent exclusivement de ce phénomène : signalons le CEFRACOR pour la France. Le CEBELCOR en Belgique a été dirigé pendant longtemps par Marcel Pourbaix, le père des diagrammes potentiel-pH bien connus !

Dans l’Antiquité la corrosion était perçue comme un phénomène mystérieux et était l’occasion de cérémonies religieuses [1a].

La corrosion du fer résulte de son oxydation en différents oxydes et hydroxydes de Fe (II) à Fe (III). Il se crée une couche « épaisse » recouvrant le métal mais pas totalement imperméable, hélas ! En effet les volumes molaires de Fe(OH)₂ et Fe₃O₄ sont respectivement quatre et deux fois plus importants que celui du fer [1a] [1b].

Pour évaluer la corrosion des métaux du patrimoine une étude structurale des couches épaisses est intéressante car les métaux anciens étaient élaborés selon des procédés différents et avaient des structures et des compositions différentes de celles des matériaux actuellement utilisés : le fer et les aciers utilisés avant le XIX^e siècle peuvent contenir du phosphore (1% maximum) et, oh surprise, l’élément phosphore s’est révélé intéressant pour comprendre la corrosion des aciers. En effet des mesures par rayonnement synchrotron et micro Raman en particulier ont montré qu’il n’y avait pas de phosphates de fer dans ces couches mais plutôt des complexes (schématiquement entre les ions Fer(II) et hydroxyde OH^-) qui sont responsables de la corrosion ultérieure du fer ! [2]

La corrosion du fer peut être atténuée par l’ajout d’autres éléments (cuivre principalement environ à 0,5%). Ce sont les aciers patinés ou autopatinables découverts aux USA dès 1930 et utilisés en Europe à partir des années soixante et dénommés « Corten ». On obtient alors une couche de rouille très fine (quelques dizaines de mm) mais très adhérente qui bloque la corrosion. La couleur évolue d’orange vif à noir dense brillant (très apprécié par les architectes actuellement). En France il y a une trentaine de ponts qui sont en acier patiné et cette technique est aussi très utilisée en architecture de décoration et dans des statues monumentales comme celle réalisée par Pablo Picasso à Chicago : 15 m de haut et 160 tonnes d’acier patinable [1a].

Par ailleurs, la technique de la patine est aussi utilisée pour des objets et sculptures en cuivre. Celui-ci est patiné avec du barège (à base de polysulfures de potassium) à froid puis à chaud avec du dichromate d’ammonium, pour accélérer l’oxydation en oxyde de cuivre (I) de couleur brun chocolat. C’est ainsi que les statues des douze apôtres et des quatre évangélistes de la flèche de Notre-Dame de Paris, devenues vert de gris au cours du temps, avaient été évacuées par les airs juste avant l’incendie de la cathédrale, en vue d’être restaurées et repatinées ! [3] [4]

Dans le béton armé, la présence de la chaux, Ca(OH)₂, donne un pH voisin de 13 pour l’eau interstitielle et l’acier est protégé (passivé) par une couche constituée en partie de Fe₃O₄ de l’ordre de 50 µm d’épaisseur. Hélas, le CO₂ de l’atmosphère pénètre peu à peu dans les pores du béton et réagit avec la chaux selon la réaction de carbonatation : Ca(OH)₂ + CO₂ (dissous) = CaCO₃ + H₂O conduisant à un pH de 8,3 qui rend possible la corrosion du fer et la formation de la rouille qui exerce alors une pression de plus en plus forte pour fissurer et détériorer très gravement le béton ! [1a]

Des chercheurs américains ont développé récemment une méthode permettant de détecter plus tôt la présence de points faibles par rapport aux moyens actuels. Ils analysent les microcristaux qui se déplacent lors de l’apparition de fissures : cela évite des remplacements parfois inutiles et un gaspillage considérable [5].

Pour empêcher le contact du fer avec le milieu extérieur on peut utiliser une peinture sur le métal avec plusieurs applications entre des périodes de séchage. Ainsi la tour Eiffel au cours de la vingtième campagne de peinture (2019 – fin 2022) a nécessité 60 tonnes de peinture pour recouvrir les 250 000 m2 de surface pour un coût de 50 millions d’euros ! [6] Des nouveaux revêtements sont actuellement envisagés comme le dépôt d’une couche monoatomique de graphène.

La sauvegarde des ouvrages du patrimoine industriel et des ouvrages d’art métalliques peut être obtenue avec des méthodes électrochimiques.

On peut aussi éviter la corrosion d’un acier de béton armé qui se trouve immergé dans la mer (électrolyte) à l’aide d’un générateur de courant avec une tension de quelques volts : une anode inerte (platine, titane recouvert d’oxydes mixtes ou de polymères conducteurs) est reliée électriquement à la partie à protéger qui devient alors la cathode : c’est la protection cathodique [1].

Certaines bactéries présentes limitent la corrosion par transfert d’électrons directement dans le métal et constituent la bioprotection cathodique. Elle est basée sur la capacité des bactéries présentes dans les sédiments marins à convertir directement une partie de l’énergie qu’elles produisent lors de la dégradation oxydante de la matière (organique) des microorganismes. Un brevet a été déposé en juillet 2021 à Toulouse (laboratoire du Génie Chimique Toulouse CNRS) qui est très prometteur pour traiter les ouvrages d’art en milieu marin [7a] [7b].

Des protocoles d’expertise et de diagnostic sur les ouvrages d’art existent en ligne. Ils servent de documents pour analyser les 900 ponts et passerelles métalliques existant en France : relevés, analyses métallographiques, chimiques, mécaniques, examen des peintures (du plomb en particulier), recalcul des ouvrages par modélisation 3D (vérification des contraintes). Ces méthodes permettent des économies de coûts jusqu’à 40 % par rapport à une reconstruction ! [8] [9]
Des sociétés spécialisées se sont créées en France telles que A-CORROS à Arles, DIADES à Aix en Provence, Profractal en Île-de-France… [10].

Tour Eiffel © FB  

Pour approfondir et illustrer ce sujet nous avons sélectionné les ressources suivantes :

[1a] Pourquoi faut-il repeindre la Tour Eiffel ? (livre) V. L’Hostis et D. Feron, EDP Sciences (2019), Collection Bulles de sciences. Un excellent ouvrage de vulgarisation sur la corrosion !
[1b] Pourquoi mettre une peinture antirouille sur les grilles de jardin ? F. Brénon (Question du mois, Mediachimie.org)

[2] Évaluer la résistance à la corrosion des métaux du patrimoine : étude de la réactivité des couches épaisses en corrosion atmosphérique du fer, J. Monnier, D. Vantelon, S. Reguer et Ph. Dillmann, L’Actualité chimique n°356-357 (oct.-nov. 2011) p 109-112

[3] Les statues de la flèche soignées par les restaurateurs, J. Coignard, La Fabrique de Notre-Dame – Journal des donateurs n° 1 (Janvier 2021) p 62

[4] La restauration des statues en cuivre de la flèche de Notre Dame, conférence de R. Boyer au colloque Chimie et Notre-Dame, 9 février 2022, Fondation de la Maison de la chimie

[5] Identifier les points faibles des métaux avant l’apparition de fissures, A. Moign, Le Magazine d’actualité – Les techniques de l’ingénieur (4 décembre 2020)

[6] La tour Eiffel haute en couleur : comment résiste-t-elle aux outrages du temps ?, B. Valeur, L’Actualité chimique n°471 (mars 2022) p 16-17

[7a] De l’eau de mer et des électrons microbiens, un cocktail innovant contre la corrosion, E. Durand-Rodriguez, Lettre Innovation du CNRS (13 janvier 2022)
[7b] Une pile à combustible microbienne pour protéger les bétons armés en mer, N. Louis, Le Magazine d’actualité – Les techniques de l’ingénieur (25 mars 2022)

[8] Guide Techniques et Méthodes - Entretien de de la protection anticorrosion des ouvrages métalliques (pdf) (2005), Guide Techniques et Méthodes, Collection Laboratoire Central Ponts et Chaussées (LPCP) - IFSTTAR devenue Université Gustave Eiffel

[9] Réfection de la protection anticorrosion des structures métalliques en milieu marin (PDF), Fiche aide-mémoire de CEREMA (2018)

[10] A-CORROS : https://a-corros.fr/ ; DIADES https://diades.fr/ ; Profractal http://www.profractal.fr

Les matériaux du patrimoine peuvent être de nature très diverse (roches et silex, céramiques, métaux et alliages, verres, matière picturale, papier, bois, végétaux,...). Ils ont été agencés pour former des objets plus ou moins complexes et hétérogènes, de différentes qualités. Ils peuvent avoir été élaborés selon des procédés variés, mettant en jeu des déformations mécaniques mais également des transformations chimiques et thermochimiques de tous ordres. Ils sont souvent hétérogènes, et ce de l’échelle fonctionnelle à celle submicrométrique. Leur composition et leur microstructure recèlent de ce fait un grand nombre d’informations sur les savoir‐faire techniques et les réseaux d’échanges, mais également les origines ou la période d’utilisation de ces matériaux [1]. C’est pourquoi leur analyse et leur étude physico‐chimique, qui met en œuvre des méthodologies adaptées et innovantes, peuvent être considérées comme une source produisant des informations historiques à part entière.

Nous verrons comment la mise en œuvre de ces méthodes (allant de la microscopie optique aux techniques sur anneaux synchrotrons, en passant par l’instrumentation portable [2]) peut permettre de comprendre l’histoire technique de certains matériaux comme les céramiques ou la matière picturale, leur réseaux d’échange parfois complexes comme pour les fers et les aciers, le verre ou l’ivoire [3]. Les approches sont aujourd’hui intégrées aux études historiques et les questionnements scientifiques sont co‐construits de manière interdisciplinaire. Une fois les objets abandonnés, ou au cours de leurs histoire, les matériaux qui les constituent subissent des processus d’altération dont la compréhension des mécanismes physico‐chimiques est cruciale pour le diagnostic de leur état de conservation et la mise en place de traitements de protection. Nous montrerons aussi comment ces études servent également à prévoir le comportement de matériaux employés dans le futur sur la très longue durée. Enfin, nous terminerons cette communication par quelques exemples d’études ou la chimie et les nanosciences permettent de mettre en place des traitements de restauration et de protection [4].

Références :
[1] Regert M, Guerra M‐F, Dupuis G., Physico‐chimie des matériaux archéologiques et culturels. Editions des Archives Contemporaines, 2016.
[2] Benech C, Cantin N, Marie‐Angélique Languille, Arnaud Mazuy, Laurianne Robinet, Antoine Zazzo. Instrumentation portable. Quels enjeux pour l’archéométrie ? Editions des Archives Contemporaines. Paris, 2020.
[3] Dillmann P, Bellot‐Gurlet L., Circulation et provenance des matériaux dans les sociétés anciennes, Editions Archives Contemporaines, 2014.
[4] Dillmann P, Bellot‐Gurlet L, Nenner I., Nanoscience and cultural heritage, Atlantic Press; 2016

• le matériau chêne
• le matériau pierre

Le matériau chêne (Rémi Fromont)

L’incendie du 15 avril 2019 a conduit à la disparition de la quasi‐totalité des charpentes et couvertures du grand comble de la cathédrale : charpentes gothiques de la nef et du chœur, flèche et transepts de Viollet‐le‐Duc. Seuls les beffrois, logés dans les tours du massif occidental, ont été à peu près épargnés par l’incendie.

Le parti de la reconstitution des charpentes et des couvertures dans un état proche de l’identique pose de manière aigue la question de l’emploi du matériau bois. Le choix des arbres en forêt, la période d’abattage, le mode de débit (sciage mécanique ou manuel), la qualité des bois (nœuds, fils tors, cœurs centrés ou non), le stockage des grumes et des pièces taillées, le taux d’humidité des bois au moment de leur mise en œuvre sont autant des facteurs intéressant directement la qualité du matériau chêne. L’analyse des ouvrages disparus a par ailleurs démontré que, outre la conception structurelle des ouvrages de charpente, ces facteurs ont une forte incidence sur la pérennité des ouvrages et sur notre capacité à les justifier structurellement.

La communication reviendra donc sur le processus qui a présidé à l’établissement des cahiers des charges rédigé par les architectes et présidant au choix et à la taille des bois, tant pour les charpentes de Viollet‐le‐Duc que pour les charpentes gothiques de la nef et du chœur.

Le matériau Pierre (Pascal Prunet)

Lors de l’incendie du 15 avril 2019, les charpentes en feu sont tombées sur les voûtes de la cathédrale, entraînant l’effondrement de plusieurs travées du vaisseau, un arc doubleau et deux voûtains adjacents dans la nef, percutés par la partie supérieure de la flèche, la totalité de la voûte de la croisée, et un voûtain du bras nord. Les hautes températures atteintes par le brasier au contact de l’extrados des voûtes, ont aussi dégradé les pierres des voussoirs, malgré la protection que leur conférait une chape de plâtre, réduisant leur hauteur de deux à trois cm.

Les études menées sur les pierres tombées au sol et en œuvre ainsi que les archives historiques, ont montré qu’elles provenaient de différentes carrières, correspondant à des ressources exploitables lors de la construction et des chantiers successifs de restauration au 18ème siècle et lors de la restauration de Viollet‐le‐Duc. Le LRMH a aussi pu identifier les caractéristiques de ces pierres d’origines différentes, notamment leurs densités relatives, qu’elles soient utilisées pour les claveaux des arcs, ou pour les voussoirs qui constituent les voûtains.

Les pierres en œuvre présentant des caractéristiques différentes selon leur emploi : nervure ou voûtain, mais aussi au‐delà de la question des voûtes, murs en élévation, arase des murs supportant la charpente de toiture... des recherches ont été faites avec le LRMH et le BRGM pour identifier les carrières présentant des ressources dont les caractéristiques étaient compatibles avec les pierres en œuvre ou à remplacer, structurellement (résistance à l’écrasement, poids, porosité) et esthétiquement (couleur, grain…).

Indépendamment de la problématique de la reconstruction des voûtes, la question de la consolidation et du renforcement des parements conservés, ceux des voûtains, rendus nécessaires par les pertes de matière ont aussi été étudiées, et proposée par la réalisation d’une chape de chaux fibrée, et ceux des murs intérieurs des combles, aussi déplaqués par les dilatation des pierres sous l’effet des hautes températures de l’incendie, et qui seront consolidés par brochages en fibre de verre et injections de micromortiers de type Ledan, solution mise au point sur la base de chantiers test.

Enfin, la protection de l’extrados par une chape de surface résistant au feu a également été étudiée avec le LRMH, afin de protéger les voûtes contre les conséquences d’un éventuel incendie.

Lors de l’incendie de la cathédrale Notre‐Dame de Paris le 15 avril 2019, les vitraux historiés ont été protégés dans leur globalité par la résistance de la voûte, qui a rempli son rôle de bouclier malgré les quatre zones perforées. De plus, les soldats du feu ont su intervenir en évitant la projection d’eau directement sur les baies évitant ainsi l’explosion des verrières.

En 2015, une étude préalable avait été menée par l’architecte en chef des monuments historiques de la cathédrale pour préparer les futures restaurations. L’objectif avait été de faire un diagnostic complet pour évaluer l’état de conservation des verres, des peintures et des plombs. L’incendie a entrainé une réorganisation du programme de restauration des vitraux. La priorité actuelle étant de faire entrer le public en 2024,  l’objectif a été donné à une décontamination générale et à la restauration des baies hautes déposées. Depuis 2019, deux phases d’études ont été menées sur des chapelles tests pour valider les protocoles d’intervention décrits dans le cahier des charges pour les appels d’offre. Afin d’établir les protocoles de décontamination, une étude globale du LRMH sur tous les matériaux dont les vitraux, a été déployée. De septembre 2019 à janvier 2020, une première phase d’observation et d’analyses a été réalisée sur la chapelle Saint‐Éloi et l’entrée de la sacristie des messes, par le pôle scientifique vitrail, afin d’identifier la nature des dépôts et de proposer un protocole de décontamination préservant les verres et les peintures. D’août 2020 à janvier 2021, une deuxième phase a succédé pour évaluer les coûts et les délais des interventions à l’échelle de l’entreprise.

Dans ce contexte, un groupement réunissant historiens de l’art, experts du vitrail, scientifiques de la conservation, chercheurs universitaires s’est créé afin de coordonner la recherche scientifique autour des vitraux de la cathédrale. Ce groupe de travail « Verre » a définit les thématiques de recherche prioritaires [1] : caractérisation des dépôts de surface sur les vitraux, compréhension de l’interaction avec les matériaux et optimisation des traitements de conservation‐restauration ; la recherche sur la connaissance des vitraux du XII^e siècle au XX^e siècle de Notre‐Dame de Paris [2].

Références :
[1] https://notre‐dame‐de‐paris.culture.gouv.fr/fr/verre‐1
[2] https://notre‐dame‐de‐paris.culture.gouv.fr/notre‐dame‐de‐paris/fr/vitraux‐moyen‐age