Thèse en cours

Utilisation de traceurs isotopiques pour l'étude des mécanismes et des cinétiques d’altération des verres de vitraux en milieu atmosphérique

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Triangle exclamation pleinLa soutenance a eu lieu le 04/12/2018. Le document qui a justifié du diplôme est en cours de traitement par l'établissement de soutenance.
Auteur / Autrice : Loryelle Sessegolo
Direction : Anne Chabas
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Sciences des Matériaux
Date : Inscription en doctorat le
Soutenance le 04/12/2018
Etablissement(s) : Paris Est
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LISA - Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques
Equipe de recherche : Groupe d'Etude des Aérosols et de leur Interactions avec les Matériaux et l'Environnement - GEAIME
Jury : Président / Présidente : Stéphanie Rossano
Examinateurs / Examinatrices : Anne Chabas, Aurélie Verney-carron, Stéphane Gin, Laurence Galoisy, Rémi Losno
Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Gin, Laurence Galoisy

Mots clés

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Résumé

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En Europe, le vitrail a connu un âge d’or durant l’époque médiévale lors de la construction d’édifices religieux. Les verres de vitraux ont traversé les siècles exposés à l’atmosphère et ont été, de ce fait, altérés au cours du temps. Afin de mieux les préserver, ce travail de thèse a pour objectif d’étudier l’altération de ces verres pour mieux comprendre les mécanismes et déterminer les cinétiques associées afin d’expliquer leur vieillissement en tenant compte des différentes phases de l’atmosphère. Pour y parvenir, des expériences en laboratoire ont été menées sur des verres modèles ainsi que sur des verres de vitraux anciens (datant du XIVème siècle). Des conditions saturée et insaturée en eau ont été utilisées pour représenter les épisodes de pluie et les phases vapeur. Des marqueurs isotopiques (D, 18O, 29Si) ajoutés aux milieux altérants ont permis de suivre les espèces depuis la solution jusqu’au sein du matériau et de distinguer les processus mis en jeu. En milieu saturé en eau, les expériences ont principalement permis de déterminer une loi de vitesse pour chaque mécanisme mis en jeu (interdiffusion et dissolution) en fonction du pH, de la température et de la composition de la solution. Les constantes cinétiques et thermodynamiques associées à ces lois ont été mesurées. En milieu insaturé, des expériences effectuées à différentes températures et humidités relatives ont montré que le mécanisme prédominant pouvait être l’hydratation, sans départ des alcalins, ou l ’interdiffusion, en fonction des conditions d’altération (temps d’exposition, température). L’espèce hydrogénée diffusante au sein de la matrice des verres de vitraux est H+. Afin de proposer un modèle mécanistique global et pouvoir extrapoler les résultats cinétiques à long terme, une série d’expériences a été menée sur des verres de vitraux datant XIVème siècle. Ils ont été mis présence de vapeur dopée en D et 18O afin d’évaluer le rôle de la couche d’altération sur la poursuite de l’altération. Les résultats montrent que cette couche nanoporeuse et fracturée ne limite pas le transport de la vapeur d’eau mais favorise l’interdiffusion comme mécanisme prédominant. Les mécanismes, ainsi que les différents paramètres cinétiques, ont été implémentés dans un modèle géochimique (logiciel HYTEC). Les premières simulations ont permis notamment de préciser l’évolution du pH en surface du verre. A partir de cet apport théorique et des données expérimentales, il est possible d’extrapoler l’évolution de l’épaisseur de la couche d’altération en tenant compte des différentes conditions atmosphériques telles que la pluie, l’eau résiduelle porale et la vapeur d’eau. Le résultat est en très bon accord avec les épaisseurs d’altération observées sur les vitraux anciens.