Élaboration des croûtes noires synthétiques

par De Oliveira et al. (2016a) : des croûtes noires modèles réalisées à partir de mélanges de gypse et hématite α-Fe2O3 et des croûtes noires reconstituées à partir d’échantillons de croûte noire naturelle. Les éprouvettes se présentent sous la forme de plaquettes de plâtre synthétique pur recouvertes d’un encrassement synthétique (Figure 25).

Figure 25 : Schéma d’une éprouvette de croûte noire synthétique.

Ces échantillons modélisent de manière simplifiée une pierre encrassée. Ils permettent de s’affranchir de la présence de couches jaunes préexistantes ou d’impuretés dans le substrat et donc de focaliser l’étude uniquement sur les produits de l’interaction entre le laser et la croûte noire. Dans la suite, le terme « croûte noire synthétique » sera fréquemment utilisé pour désigner l’ensemble de l’éprouvette, c’est-à-dire incluant le substrat et l’encrassement synthétique. Le protocole de synthèse comporte trois étapes principales décrites ci-après.

2.2.1. Préparation du substrat en plâtre

Le substrat en plâtre est élaboré par hydratation (gâchage) de sulfate de calcium hémi-hydraté CaSO4.0.5H2O Aldrich 97% avec de l’eau distillée en proportions équi-massiques (30:30g pour 5 éprouvettes de taille standard). Le mélange est ensuite coulé sur un ensemble de lames de verre puis lissé avec une règle.

Remarque : les dimensions des lames de verre sont ajustables et permettent de produire des plaquettes de différentes tailles. La majorité des plaquettes ont la taille standard 7x3x0,2 cm.

2.2.2. Préparation de la croûte noire synthétique

La croûte noire synthétique est ensuite préparée à partir d’un mélange de sulfate de calcium hémi-hydraté Aldrich 97% et d’hématite α-Fe2O3 ou de croûte noire naturelle broyée en poudre en proportions variables exprimées en poids. (Tableau 5). La croûte noire a été prélevée sur les voûtes d’une arche en pierre calcaire, située sur une terrasse en hauteur de la façade occidentale de la Basilique.

Tableau 5 : Matériel utilisé pour la confection des croûtes noires synthétiques ; la croûte noire naturelle a été prélevée en 2001 en partie haute de la Basilique.

Type Composé Provenance Couleur Forme Traitement Proportions

Modèle hématite ^{Carlo Erba} _(99%) ^rouge _foncé poudre aucun 1, 30 %m

Reconstituée ^croûte _{noire Saint-Denis} ^Basilique gris foncé _{centimétriques} ^morceaux

broyage et tamisage (100 µm)

80 %m

Ces proportions sont choisies pour diverses raisons. Pour l’hématite, 1%m représente l’ordre de grandeur de la quantité de fer présent dans une croûte noire naturelle (Ruffolo et al., 2015). En outre, De Oliveira (2014a) a montré en étudiant des croûtes modèles contenant 0,5 à 30%m d’hématite, que plus la croûte modèle est riche en hématite, plus le jaunissement après irradiation laser est intense. En supposant qu’un jaunissement plus intense est lié à une quantité plus importante de matière jaune, nous avons choisi d’élaborer des croûtes modèles enrichies en hématite (30%m) pour générer plus de matériel d’étude. Concernant la croûte noire naturelle de la basilique Saint-Denis, l’objectif est d’introduire la quantité maximale de croûte naturelle dans la croûte noire reconstituée. L’ajout d’une petite quantité d’hémihydrate de calcium est cependant nécessaire pour assurer la cohésion et l’induration de la croûte reconstituée sur le substrat en plâtre. Les proportions croûte naturelle: hémihydrate (80:20) se sont révélées satisfaisantes.

2.2.3. Application de la croûte synthétique sur le substrat

Le mélange est ensuite appliqué de deux manières sur le substrat, permettant d’obtenir des croûtes noires synthétiques fines et épaisses.

a. Croûtes fines

Le mélange de poudres est lissé au doigt sur les plaquettes de plâtre après séchage. L’ensemble est ensuite humidifié avec un brumisateur (trois sprays = environ 80 mg d’eau), ce qui permet la transformation de l’hémihydrate en gypse. Une fine couche d’encrassement, lisse et semi-indurée est obtenue (épaisseur < 1 mm). Ces échantillons sont qualifiés de « croûtes fines » ou « salissures fines » dans la suite.

b. Croûtes épaisses

Le mélange de poudres est saupoudré sur les plaquettes encore humides (pendant la prise du plâtre) à travers un tamis grossier (maille ~ 0,5 mm). L’eau présente dans la plaquette imprègne la matière saupoudrée et conduit à la formation d’une croûte indurée par la cristallisation de gypse (épaisseur ~ 1-3 mm), de rugosité et de morphologie très similaires à celles d’une croûte noire réelle dendritique. Ces échantillons seront qualifiés de « croûtes épaisses » ou « salissures épaisses ». Le substrat encore humide est ensuite subdivisé en plaquettes à l’aide d’une lame de rasoir ou d’un scalpel. Les éprouvettes sèchent finalement à l’air pendant au moins 24 heures (Figure 26).

Mise en place des lames de verre Mélange d’hémihydrate et d’eau distillée

Coulage du plâtre sur les lames de verres Lissage du plâtre

Saupoudrage de la croûte modèle sur le plâtre encore humide

Après saupoudrage

(ici croûte modèle à 30% d’hématite)

Séparation des éprouvettes à la lame de rasoir Séchage à l’air de la série d’éprouvettes de croûtes modèles épaisses

2.2.4. Croûte noire naturelle : mises en forme spécifiques

Pour caractériser la croûte noire naturelle provenant de la basilique Saint-Denis qui est utilisée dans la confection des croûtes reconstituées, plusieurs modes de préparation sont utilisés (Tableau 6).

Tableau 6 : Différents modes de préparation de la croûte noire naturelle.

Préparations Mise en œuvre

Fragment ^{Un morceau de croûte noire est poncé sur un disque abrasif en carbure de} _{silicium 1200, correspondant à une taille d’abrasif de 14 µm} Inclus en résine

(coupe transverse)

Un morceau de croûte noire est inclus dans une résine ARALDITE 2020. Le bloc est ensuite poli manuellement à l’aide de disques abrasifs en carbure de silicium 800 puis 1200 correspondant à des tailles d’abrasifs de 22 et 14 µm puis de disques en feutre recouverts de suspension diamantée abrasive (taille d’abrasif : 1 µm)

Poudre ^{La croûte noire est réduite en poudre par broyage dans un mortier en agate} _{puis tamisée à 100 µm} Fraction

magnétique

De la poudre de croûte noire tamisée à 40 ou 100 µm est mise en suspension dans de l’eau distillée. Un aimant NdBFe est ensuite placé à proximité et les particules magnétiques sont collectées avec une pipette en plastique puis déposées sur un scotch carbone.

Pastille ^{De la poudre de croûte noire tamisée à 100 µm est pressée sous forme de} _{pastille de taille 8 mm}