L’incendie de 2019 a mis au jour des armatures de fer jusqu’ici inconnues dans la structure de Notre‐Dame de Paris. Ces découvertes ont conduit à la documentation systématique de ces usages dans la diachronie, des phases de construction des XII^e‐XIII^e siècles aux restaurations des XIX^e‐XX^e siècles.

Au‐delà de l’inventaire archéologique de ces armatures préalable à toute forme d’étude, l’analyse chimique des alliages ferreux qui les composent apporte un éclairage inédit sur les pratiques des bâtisseurs médiévaux et modernes, grâce aux méthodologies développées depuis une vingtaine d’années [1] : nature et qualité des matériaux mis en œuvre, procédés techniques de production utilisés et mise en forme par les forgerons [2], provenance et approvisionnement du métal pour le chantier [3]. Ces analyses permettent enfin de renseigner la chronologie de ces renforcements [4]. Grâce au chantier de restauration et à l’ensemble de ses acteurs, plusieurs dizaines d’armatures (agrafes, tirants, clous, armatures des décors…) ont pu être prélevées pour être soumises à ces investigations.

L’analyse métallographique de ces armatures révèle en premier lieu la nature des alliages ferreux mis en œuvre, très hétérogène, alliant fer, carbone, phosphore et de nombreuses inclusions non métalliques. Certaines pièces se démarquent toutefois par une composition très aciérée. Elle met également en évidence de nombreuses soudures, qui posent la question de la mise en forme de ces barres, par assemblage d’éléments plus petits, et incidemment la question de l’utilisation de matières recyclées et des circuits d’approvisionnement. L’analyse des inclusions de scories en éléments majeurs par MEB‐EDS, puis en éléments traces par LA‐ICP‐MS renseigne sur les procédés techniques utilisés, bas fourneau et haut fourneau, et les différentes sources de métal, illustrant l’activité du marché du fer sur la place parisienne. Enfin, six agrafes et deux clous ont pu être datés par la méthode du radiocarbone. Les résultats obtenus donnent des éléments nouveaux de compréhension des phases de construction et de consolidation de l’édifice.

Références :
[1] M. L’Héritier, Le fer et le plomb dans la construction monumentale au Moyen Âge, de l’étude des sources écrites à l’analyse de la matière, Ædificare, 2019, p. 79–121
[2] P. Dillmann, M. L’Héritier, Slag inclusion analyses for studying ferrous alloys employed in French medieval buildings, JAS, 34, 2007, p. 1810–1823
A. Disser, P. Dillmann, M. Leroy, M. L’Héritier, S. Bauvais, P. Fluzin, Iron Supply for the Building of Metz Cathedral, Archaeometry. 59, 2017, p. 493–510
[4] S. Leroy, M. L’Héritier, E. Delqué‐Kolic, J.‐P. Dumoulin, C. Moreau, P. Dillmann, Consolidation or initial design? Radiocarbon dating of ancient iron alloys sheds light on the reinforcements of French Gothic Cathedrals, JAS, 53, 2015, p. 190–201
 

Le mécanisme et la vitesse de dégradation des pierres sur un monument dépend d’une part de facteurs intrinsèques, comme la composition minéralogique, les capacités de stockage et de transfert hydriques et hygriques, les propriétés thermiques et mécaniques, et d’autre part de facteurs extrinsèques comme la température, l’apport en eau par la pluie et les remontées capillaires, la nature et la quantité des sels dans les solutions percolantes, l’abondance de ces solutions, et enfin le facteur biologique. La morphologie du bâtiment et la position architecturale déterminent aussi indirectement le type et l’intensité des dégradations. Parmi ces différents facteurs, les sels viennent assez largement en tête des agents de détérioration.

Un sel est par définition un solide ionique pouvant se dissocier en présence de solvants polaires en particulier l’eau. Le plus connu est sans doute la halite de formule NaCl, mais il en existe de multiples autres. Á Notre‐Dame, deux sels nous préoccupent : d’une part une variété de sulfate de calcium, le gypse de formule CaSO4.2H2O, déjà présent sur l’édifice avant l’incendie, et deux variétés du sulfate de sodium, la thénardite (Na2SO4) et la mirabilite (Na2SO4.10H2O), pratiquement absents sur l’édifice avant l’incendie, mais dont l’apparition a été soupçonnée puis évaluée pendant les tests menés sur les parements contaminés par le plomb.

Nous examinerons deux cas d’étude.

Le premier concerne les parements intérieurs et extérieurs des chapelles, nous nous intéresserons à l’impact des méthodes de nettoyage‐déplombage sur la production de sels.

Le deuxième est relatif à la voûte du bras sud du transept, dont l’intrados est très affecté par une pollution saline. Nous évoquerons les raisons de cette pollution, et examinerons sur quelles bases scientifiques ont été élaborés les conseils donnés par le LRMH puis mis en œuvre par la maîtrise d’œuvre pour diminuer la charge saline des maçonneries de la voûte.

La charpente en chêne de Notre‐Dame de Paris est l'un des plus grands chefs‐d'œuvre de la charpenterie gothique en France. Elle a été construite au cours du Moyen Âge, entre le XIe et le XIIIe siècle, à une époque où de profonds changements environnementaux et sociétaux créent une pression importante sur les ressources forestières disponibles. La destruction de la charpente de Notre‐Dame de Paris dans l'incendie du 15 avril 2019 a laissé des milliers de fragments de poutres de chêne carbonisés plus ou moins longs et fragmentés, non réutilisables pour la reconstruction. De fait, ces bois médiévaux, rares et précieux, sont aujourd’hui accessibles à la communauté scientifique.

Observée par un œil profane, cette charpente donnait le sentiment d’une « forêt » en raison du grand nombre de poutres nécessaire à sa mise en place. On estime que 800 voire 1000 chênes ont été nécessaires à sa construction, chaque entrait ou chevron provenant d’un arbre différent. Or, tout au long de sa vie, chacun de ces chênes a enregistré certaines variations de son environnement en constituant chaque année un nouveau cerne de croissance. Ainsi, la succession de ces cernes constitue un moyen de datation absolue. De plus, l’analyse de l’anatomie des bois et de leurs compositions chimiques, moléculaires et isotopiques permet d’obtenir des informations sur l’environnement et la physiologie des arbres. Certains marqueurs du bois peuvent ainsi être utilisés comme indicateurs des modes de croissance, des zones de provenance ou du climat passé. Analyser la "forêt" de Notre‐Dame, c’est remonter le temps, en reconstruisant les forêts et le climat des siècles passés.

Cette communication présentera deux exemples de combinaisons de marqueurs chimiques et isotopiques qui seront testés et analysés sur les bois carbonisés de Notre‐Dame.

Le premier exemple repose sur une approche inédite et originale, combinant la composition élémentaire depuis les éléments majeurs jusqu’au groupe des lanthanides, ainsi que les isotopes du strontium et du néodyme pour restituer la provenance géographique des bois. Des essais d’extraction d’ADN seront également menés pour trouver une signature génétique de l’espèce et de l’origine des peuplements. L’identification des provenances apportera des informations précieuses sur la gestion des territoires forestiers, le transport du bois et ses modalités (voies terrestre et/ou fluviale). L’exploitation des ressources forestières est en effet l’un des fondements économiques de la société médiévale, que ce soit pour la construction, le bois de feu et les activités artisanales.

Le deuxième exemple concerne les compositions isotopiques de l’oxygène et du carbone qui permettent des reconstructions paléoclimatiques fines. Les chênes exploités pour la construction de la charpente de Notre‐Dame ont en effet poussé pendant une période d’amélioration climatique, connue sous le nom d’optimum climatique médiéval. Cette période semble se caractériser par de longues séries d’étés secs, vraisemblablement chauds. Des micro‐oscillations climatiques pourraient néanmoins avoir eu lieu durant cette période, notamment avec des hivers très rudes ou des épisodes pluvieux. Les bois carbonisés de la cathédrale Notre‐Dame constituent donc une porte d’accès unique aux conditions climatiques pour identifier et caractériser cet optimum climatique médiéval. Chacune de ces approches sera discutée au regard de la carbonisation, processus qui implique des conséquences en cascade sur les signatures élémentaires, isotopiques et
moléculaires et dont la compréhension est nécessaire à une interprétation rigoureuse des signaux biogéochimiques

Pendant l’incendie de la cathédrale Notre‐Dame de Paris, survenu le 15 avril 2019, les peintures murales, situées dans le déambulatoire n’ont pas été directement endommagées grâce à leur éloignement du centre d’incendie, localisée sur la toiture du transept et partie est de la nef. En revanche, cet incendie a provoqué une dispersion du plomb couvrant la toiture, entre autres, en forme d’un aérosol, qui ensuite s’est déposé autour de la cathédrale résultant en une importante pollution des abords du bâtiment. L’intérieur n’a pas échappé à ce dépôt de microparticules de plomb, qui recouvert les sols, mais aussi les murs y compris les peintures.

La dépollution de l’intérieur de la cathédrale, va permettre aux équipes chargées de travaux de restauration un accès facilité par des protections allégées. Dans le cadre de cette intervention, il était nécessaire de mettre au point un protocole d’élimination du plomb exogène adaptée à la préservation de peintures murales à l’huile datant de la campagne de restauration conduite par Eugène Viollet‐le‐Duc.

La mise au point de cette méthode s’est déroulée dans le passage de la Sacristie et a été suivie par les contrôles de quantité de plomb soluble [1]. Plusieurs niveaux d’intervention ont été testés : aspiration avec brossage, application d’un papier absorbant humidifié et application d’un gel nettoyant. C’est un gel aqueux fait avec un complexant qui, appliqué en deux passages après un dépoussiérage minutieux, a donné les résultats les plus satisfaisants.

Le chantier des chapelles test a permis la mise en pratique et à l’échelle de ce protocole. Pendant six mois une équipe de neuf restauratrices de peintures murales a restauré le décor de la chapelle Saint Ferdinand en collaboration avec le LRMH et en coactivité avec des restaurateurs de vitraux (Vitrail France), de sculpture (SOCRA) et de maçonnerie (Pierre Noël). Ainsi à la fin du chantier tous les éléments constitutifs du décor de Viollet‐le‐Duc (vitrail, sculpture, pierre) étaient restaurés. Dans ce contexte singulier pour nous, restaurateurs de peintures murales, ce chantier était exemplaire.

Références :
[1] Nowik W., Duchêne S., Brissaud D., Essais d’élimination de plomb exogène des peintures décoratives de chapelles du cœur de Notre‐Dame, Monumental, 1, 104‐105, 2021

Le lendemain de l’incendie de la toiture de Notre Dame, la course contre la montre est engagée. Sous l’impulsion et les directives de l’architecte en chef Philippe Villeneuve, rejoint plus tard par Remy Fromont et Pascal Prunet, les hommes se lancent dans le sauvetage et la sécurité de la cathédrale.

Engagés dans cette réussite, ils ont fait appel à plusieurs entreprises afin de répondre et exécuter leurs consignes. Des tailleurs de pierres, des échafaudeurs, des cordistes, des couvreurs et des charpentiers ont travaillé sans relâche pour sauvegarder le monument.

Mon entreprise LE BRAS FRERES a réalisé tous les travaux de confortement par cintres et étaiements sur la cathédrale. Depuis le début des opérations de sécurisation, nous avons coordonné l’ensemble des travaux de renforcements bois et métalliques sur le monument. A savoir, nous avons travaillé :

• Sur la conception des cintres bois pour soutenir les arcs‐boutants,
• Sur la réalisation des planchers bois pour ceinturer les murs gouttereaux et ainsi aider à la poursuite des travaux de sauvegarde,
• Sur les renforts des Beffrois,
• Sur les nombreux étrésillonnements des zones sinistrées,
• Sur la conception de chevalements intérieurs,
• Sur les renforts de voûtes.

Fortement investi dans la sauvegarde de ce monument, mon entreprise animée essentiellement par du personnel passionné par son métier, nous possédons toutes les technicités et le savoir‐faire nécessaire pour que la cathédrale Notre Dame, chantier emblématique hors du commun, retrouve sa beauté d’antan.

Mon bureau d’études interne à l’entreprise composé de jeunes ingénieurs et dessinateurs hautement qualifiés nous a permis une grande réactivité sur l’étude et l’exécution des travaux. La charge de travail à ce moment était tellement importante qu’il a fallu que toute la société LE BRAS FRERES soit mobilisée ; et ceci, depuis la secrétaire jusqu’au compagnon travaillant à l’atelier ou ceux directement sur terrain, sans oublier le service logistique. Tous les salariés de l’entreprise (présents ou non sur ce chantier) étaient concernés et mobilisés. C’est grâce à l’implication de tous que la sécurisation de l’édifice a pu se faire.

Toutes ces prestations de consolidation et sécurisation ont été visées par les architectes en chef des monuments historiques. Leurs appuis historiques et techniques ont permis de coordonner parfaitement et rapidement les opérations.

La compétence professionnelle et la conviction de chaque membre de mon entreprise nous ont permis de finaliser la sécurisation et le confortement de ce monument. En permanence, je suis resté en étroite collaboration avec les compagnons charpentiers et échafaudeurs, le bureau d’étude, les ateliers et les donneurs d’ordres.

Sur toute cette opération, nous avons été dirigés et soutenus par le Directeur Général des opérations de sauvegarde de la cathédrale Notre Dame, il a été un moteur important
tout au long de ces travaux. Le travail de la reconstruction est encore long, nous devrons garder le rythme sur le long terme.

Ce jour, je vais vous présenter plus particulièrement la sauvegarde des voûtes à travers la méthodologie d’étaiement par cintres que l’on a accomplie au niveau des arcs‐ boutants et des voûtes.

Seront présentées toutes les étapes pour la sauvegarde du monument. Nous commencerons par la numérisation, la conception mécanique des cintres, jusqu’à l’aboutissement de la pose. A cela, nous expliquerons les phases de fabrication et assemblage de toutes ces pièces.

Le 11 avril 2019, eut lieu la dépose des statues des douze apôtres et des quatre évangélistes qui ornaient la base de la flèche de la cathédrale Notre Dame de Paris. Elles devaient rejoindre les ateliers de la SOCRA en Dordogne pour une restauration fondamentale. Quatre jours plus tard un incendie ravage la flèche et la charpente de l’édifice, faisant de ces œuvres de véritables miraculées.

Durant les deux années qui suivirent, les statues, créées par le sculpteur Geoffroy‐Dechaume et réalisées par les ateliers Monduit, furent restaurées en atelier suivant des protocoles spécifiques pour le traitement des armatures internes et de l’épiderme en cuivre. Les pathologies rencontrées sont celles que nous rencontrons habituellement sur ce type d’ouvrage : altération de l’épiderme, corrosion galvanique de l’armature interne en fer pur. Cette campagne de restauration aura été également l’occasion d’aborder les questions relatives à l’aspect de surface de l’épiderme en cuivre et des traitements de finition. Aujourd’hui présentées dans les galeries de la Cité de l’Architecture et du Patrimoine à Paris, ces œuvres retrouveront leur emplacement d’origine à la fin des travaux de reconstruction de la flèche.

Lors de l’incendie du 15 avril 2019, le feu a provoqué de nombreuses altérations chimiques des matériaux en présence, accompagnées bien sûr d’altérations physiques et mécaniques. L’eau utilisée par les pompiers n’a pas moins altéré matières et édifice, de même que celle, venue du ciel, qui a continué de pénétrer dans la cathédrale tant que l’échafaudage initial n’a pas été enlevé. Pierres, plomb, bien sûr, bois, fer et verre ont donc subi des modifications plus ou moins fortes, et dont les implications structurelles sont plus ou moins grandes.

Les scientifiques qui se sont portés au chevet de l’édifice sont pour une partie d’entre eux des spécialistes des matériaux anciens, issus de l’université ou du CNRS, ou de leur conservation et de leur restauration, et dans ce cas, plutôt issus du ministère de la Culture. Ils se sont trouvés confrontés à des altérations de nature diverse. Les températures atteintes ont par exemple transformé le plomb en oxydes, transportés par aérosol, qui se sont déposés sur tout l’intérieur de l’édifice et doivent être enlevés pour pouvoir rendre une cathédrale dépolluée et nettoyée aux fidèles et au public. Ces oxydes sont souvent venus s’ajouter à des plombs plus anciens, dus à la pollution automobile, ou à la saleté produite par l’activité au sein de la cathédrale. Le nettoyage des différents matériaux concernés (métal des grilles, bois du mobilier, peintures murales, vitraux, pierre) doit être mené selon des techniques qui peuvent aussi relever de processus chimiques mais qui doivent surtout respecter le matériau patrimonial original qui a subi déjà une première attaque. Dans certains cas, par ailleurs, ce plomb a fusionné avec la pierre créant quasiment un nouveau matériau. La pierre elle‐même sous l’effet de la chaleur connaît des modifications et des transformations qui se manifestent par des variations de couleur et d’aspects, significatifs de changements structurels internes.

L’eau peut entraîner la formation de sels, et de fortes altérations des matériaux en véhiculant différents matériaux à l’état de solutions, et c’est pourquoi les produits utilisés pour le nettoyage doivent être particulièrement bien choisis.

Par chance, les sculptures de la flèche par Viollet‐le‐Duc et Geoffroy‐Dechaume ont été déposées avant l’incendie et leur restauration a permis des observations précises sur leur histoire, et leur matérialité.

Enfin, au‐delà du clin d’œil, le chantier scientifique de Notre‐Dame en rassemblant des scientifiques venus de laboratoires et d’horizons très différents a contribué à former une véritable communauté et à rapprocher des gens qui ne se connaissaient pas et ne travaillaient pas ensemble, à renforcer l’interdisciplinarité des approches de ce bâtiment emblématique. Plus encore, de nouvelles méthodes de travail et de recherche, de nouveaux outils se sont mis en place pour rassembler ces connaissances et créer quasiment de nouveaux champs disciplinaires.

En cela, le chantier de Notre‐Dame a bien une dimension alchimique humaine.

Symbole universel de Paris et de la France, chef‐d’œuvre de l’architecture gothique, la cathédrale Notre‐Dame de Paris fascine et inspire, depuis plus de huit siècles, les pèlerins, les visiteurs et les artistes du monde entier. Inscrite au patrimoine mondial de l’Unesco au titre des Rives de la Seine, Notre‐Dame de Paris est intimement liée au destin de la France et aux grandes heures de son histoire.

Le 15 avril 2019, un incendie violent a touché au cœur la cathédrale provoquant une vive émotion à travers le monde et un élan de générosité et de solidarité sans précédent.

Grâce à la mobilisation de la brigade de sapeurs‐pompiers de Paris, Notre‐Dame de Paris a pu être sauvée des flammes.

Depuis l’incendie, un vaste chantier s’est mis en place afin d’assurer la sauvegarde et la renaissance de la cathédrale et de lui redonner sa splendeur.

Jusqu’à l’été 2021, artisans et compagnons venant de toute la France, équipes de l’établissement public, maître d’ouvrage, et architectes en chef des monuments historiques, maître d’œuvre, ingénieurs et chercheurs, experts du ministère de la culture, ont sauvegardé la cathédrale, étape préalable et nécessaire à sa future restauration.

Grâce à leur travail considérable et à leur mobilisation, Notre‐Dame de Paris est entièrement consolidée et sécurisée.

La phase de restauration est désormais résolument engagée afin de tenir l’objectif fixé par le Président de la République de rendre la cathédrale au culte et à la visite en 2024. Les défis qui attendent ces bâtisseurs de cathédrales sont nombreux, faisant de ce chantier une aventure exceptionnelle.

En avril 2019, l'incendie de la cathédrale Notre‐Dame a répandu sur Paris une quantité inconnue de poussière contenant du plomb provenant du toit et de la flèche. Pour différencier l'impact de l'incendie des sources historiques de celles, multiples, de contamination au plomb dans la ville de Paris, il était nécessaire de définir de manière univoque la signature géochimique de la poussière émise par l'incendie. En effet, aucune donnée décrivant l'empreinte géochimique du plomb du toit n'était disponible au moment de l’incendie.

Pour caractériser cette empreinte, un protocole géochimique (isotopique et élémentaire) a été appliqué aux échantillons de poussières riches en plomb collectés en différents endroits à l'intérieur de Notre‐Dame. Ainsi, la signature isotopique radiogénique du plomb (Pb) (rapports isotopiques ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb et ²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb) et les concentrations d’une trentaine d’éléments chimiques (plomb, cuivre, antimoine, bismuth, étain…) ont été déterminés par spectrométrie de masse. Une stratégie développée spécifiquement pour cette étude a été employée pour éliminer toute source de contamination métallique potentielle due aux substrats d'échantillonnage ou aux poussières précédemment déposées. Il en a résulté que seuls les échantillons collectés sur des supports en bois, et au niveau supérieur dans Notre‐Dame pouvaient être utilisés pour une détermination fiable de la signature chimique de l’incendie. Ainsi, la signature des poussières se situe entre la signature de minerais espagnols utilisés en France durant le XIX^e siècle (i.e., à la période de la construction du Paris Haussmannien) [1], des monuments historiques contemporains à la construction de Notre‐Dame, et des sédiments actuels de la Seine [2]. De plus, cette étude met en évidence des rapports élémentaires (ex. Sn/Cu) permettant une caractérisation plus spécifique de la signature.

Cette empreinte géochimique facilitera l’évaluation future de la contribution de l'incendie à la pollution au plomb dans Paris et de l'étendue réelle de la zone affectée par le panache de poussière contenant du plomb.

Références :
[1] Lestel, L., Non‐ferrous metals (Pb, Cu, Zn) needs and city development: the Paris example (1815-2009). Regional Environmental Change, 2012. 12(2), p. 311‐323
[2] Ayrault, S., et al., Lead contamination of the Seine River, France: Geochemical implications of a historical perspective. Chemosphere, 2012. 87(8), p. 902‐902‐910

Le lundi 15 Avril 2019, alors qu’elle était en plein travaux de restauration, la cathédrale Notre-Dame de Paris, vieille de plus de 850 ans, a pris feu au niveau de sa charpente, engendrant la perte de celle-ci, de sa toiture, de son horloge et d’une partie de sa voûte. Pendant l’incendie, une course contre la montre a permis de sauver le maximum d’oeuvres d’art présentes.

Dès le lendemain, bon nombre d’architectes, d’entreprises spécialisées dans la restauration du patrimoine et d’experts scientifiques se sont portés à son chevet pour prendre les décisions qui s’imposaient au plus vite pour limiter les risques d’écroulement des murs et des voûtes restantes.

De cet élan volontaire est née une alchimie entre toutes ces personnes avec la ferme volonté de réaliser, en un temps record, le « chantier du siècle », celui de reconstruire quasi à l’identique les éléments perdus de Notre-Dame.

En parallèle à ce chantier de restauration, s’est ouvert un chantier scientifique regroupant cinquante laboratoires répartis dans toute la France, impliquant 175 personnes. Ces activités de recherche vont renouveler les connaissances sur cet édifice, son histoire et son environnement, avec la création de huit groupes de travail sur les thèmes suivants : numérique, structure, bois/charpente, métal, pierre, verre, émotions patrimoniales et acoustique. Les chimistes y prennent part comme vous pourrez le voir dans ce dossier…

Comment la chimie peut-elle contribuer à la conservation du patrimoine ?

La chimie intervenant dans beaucoup de domaines de la conservation du patrimoine, nous allons prendre un fil conducteur, celui du plomb, pour montrer quelques facettes de la chimie, liée intimement à la physique, dans la conservation du patrimoine.

 

Problématique :

• Du plomb, mais lequel ?
  Comment éliminer le plomb déposé sur les peintures
  décoratives ?
  Comment nettoyer et déplomber les pierres murales ?₂ ?

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.