Nettoyage des pierres des monuments français par laser Mise au point de la méthode et contrôle de l'innocuité
Geneviève Orial
Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques - Champs sur Marne - France
Introduction
Les monuments historiques, exposés à la pollution atmosphérique et aux pluies acides, sont, dans la plupart des cas, recouverts soit de salissures, soit d'un amalgame de salissures et de produits d'altération. La difficulté du nettoyage réside dans l'élimination des salissures sans attaque ou modification de l'épidenne de la pierre. La technique du nettoyage de la statuaire monumentale par rayon laser, dite aussi désincrustation figurenique, ouvre de nouvelles perspectives dans ce domaine et relance le problème de l'évaluation de ce qui doit être considéré comme le nettoyage optimum.
Ce thème est traité sous fonne de deux articles consécutifs.
Le premier qui s'intitule "Nettoyage des pierres des monuments français par laser: mise au point de la méthode et contrôle de l'innocuité" par Geneviève Orial décrit la démarche adoptée pour mettre au point la technique ainsi que le contrôle de l'innocuité des effets du rayon laser sur la pierre.
Le second qui s'intitule "Nettoyage des pierres des monuments français par laser, comparaison avec d'autres méthodes: microsablage et compresse chimique" par Véronique Vergès-Belmin aborde l'aspect plus spécifique de l'évaluation du meilleur nettoyage, entre trois méthodes différentes, grâce à l'utilisation de diverses techniques d'examens et d'analyses (oeil nu et colorimétrie, loupe binoculaire directe ou sur empreinte silicone, microscopie électronique, pétrographie).
Résumé
Depuis une vingtaine d'années les méthodes de nettoyage de la statuaire monumentale ont constamment évolué jusqu'à l'utilisation, aujourd'hui, de techniques de pointe comme le rayon laser. Depuis 1987, le L.R.M.H a entrepris des recherches sur cette méthode qui ont abouti à la construction d'une machine portable de chantier. Dès lors, des essais sur de nombreux sites, suivis de contrôles scientifiques ont permis de mieux évaluer les potentialités du laser. Ils ont également pennis de mettre au jour des problèmes particuliers de réactions de certains matériaux sous l'effet de la lumière, qu'il sera indispensable de comprendre et de maîtriser.
Evolution des techniques de nettoyage Les techniques classiques
Depuis une vingtaine d'années, les techniques de restauration, et en particulier celles de nettoyage du patrimoine architectural, ont constamment évolué. Les relations entre scientifiques et techniciens de la restauration ont pennis de mettre au point des méthodes de plus en plus douces et adaptées aux problèmes spécifiques de la conservation des monuments historiques. Trois systèmes sont aujourd'hui couramment employés, seuls ou associés panni lesquels on distingue des méthodes physiques et chimiques. Dans le domaine plus spécifique de la statuaire monumentale, il convient de mentionner l'eau nébulisée (ou atomisée).
L'utilisation de cette technique présente plusieurs inconvénients: la quantité d'eau utile est parfois très importante, pour un résultat souvent hétérogène; en effet, les parties cachées, dessous de corniches ou parties en creux, restent encrassées. De plus, les risques d'infiltration d'eau ne sont pas négligeables.
Enfin, dans certains cas d'altérations avancées de la pierre, l'emploi de l'eau est déconseillé sinon impossible.
Le microsablage ou "air abrasive"
Ce système requiert de la part de l'opérateur une maîtrise parfaite de l'appareil, au risque d'une abrasion superficielle du matériau. En outre, l'emploi de grosses quantités de poudre, parfois plusieurs tonnes, génère des nuisances importantes pour l'opérateur, qui doit se protéger intégralement contre l'inhalation
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(combinaison et masque) mais aussi pour le chantier, par l'obligation d'acheminer et de récupérer les poudres, après emploi. Dans les cas de surfaces soulevées, pulvérulentes, une préconsolidation du matériau avant le nettoyage est quasiment indispensable.
Compresses et pâtes chimiques douces
Si ces méthodes de nettoyage sont relativement douces et respectent l'épiderme sain, un certain nombre d'inconvénients entravent là aussi leur emploi courant:
- lenteur du processus de ramollissement des salissures - difficulté de mise en oeuvre sur la sculpture monumentale - résultats parfois hétérogènes
- difficultés du rinçage laissant des résidus de sels, surtout quand le vecteur est un gel cellulosique.
Une technique nouvelle: le laser Les recherches en laboratoire
Pour palier les inconvénients des différentes méthodes, le LRMH a entrepris dès 1987 des recherches sur l'utilisation de la lumière cohérente laser dans le nettoyage de la statuaire monumentale. L'idée présidant à ces travaux était que la lumière n'étant pas un matériau solide, il ne saurait y avoir de contact abrasif sur le support à traiter. De plus, les connaissances sur l'interaction entre un rayonnement électromagnétique intense et la matière étaient déjà exploitées industriellement. Enfin, en théorie, les éléments foncés ou noirs ont une grande capacité d'absorption de la lumière.
Bénéficiant des résultats des recherches antérieures réalisées en Italie sur le nettoyage de la pierre au laser (Lazzarini et al. 1972, Lazzarini et Asmus 1973, Asmus et Beloyannis, 1976), le LRMH a programmé de nouveaux essais. Ceux-ci ont été mis en oeuvre, en laboratoire, sur des fragments de pierres de natures différentes présentant des salissures noires d'épaisseur et de consistance diverses.
Tout d'abord, les tests ont été conduits avec des lasers impulsionnels (impulsions "longues" de l'ordre de la dizaine de microsecondes) de type industriel, le faisceau étant émis dans l'infrarouge.
Avec ce type de laser, le temps de contact de la lumière avec la pierre était suffisant pour entraîner un effet d'absorption important qui était accompagné d'un effet thermique non négligeable, créant une légère hausse de la température de la surface de la pierre. Il était alors nécessaire de refroidir le matériau par aspersion d'eau (Orial et Gaufillet 1989).
Sou rce Longueur
d'onde
Energie
maximale · Durée 1
d'impulsion Y.A.G
(Ytrium Aluminium Grenat) relaxé
1.064 ~m 1
joule
20 1
microsecondes Y.A.G
doublé
0.540 ~m 130
millijoules 13 1
nanosecondes
ALEXANDRlTE 0.750 ~m 500 70
millijoules microsecondes
ERBIUM 2.9 ~m 1000 100
relaxé milliioules microsecondes
SAPHIR dopé accordable 120 15
au TITANE de 0.670 à 1 ~m milliioules nanosecondes
Y.A.G 1.064 ~m 400 20
déclenché millijoule nanosecondes
Y.A.G 1.064 ~m 400 8
déclenché milliioules nanosecondes
Dès lors, la collaboration étroite entre le L.R.M.H et une société de conception et de fabrication de lasers, B.M. Industries a permis les essais avec d'autres sources laser, récapitulées dans le tableau ci-après.
Tous ces lasers testés étaient à solide, de type impulsionneI. Par ailleurs, des essais ont été réalisés (Cooper et al. 1992) avec d'autres types de sources (C02, laser à colorant Dye, Excimer)
A ce premier stade, l'appréciation de l'efficacité du système a été fondée sur l'observation visuelle et à la loupe binoculaire qui permettent de juger macroscopiquement de l'état de surface ainsi que de l'élimination totale ou partielle de la salissure.
Après de nombreux essais, c'est le laser YA.G déclenché à 1,064 /lm de longueur d'onde, de puissance maximale 400 millijoules et avec des durées d'impulsion de 8 nanosecondes qui a été sélectionné comme étant la source la plus appropriée pour la désincrustation des salissures noires. Il est à remarquer qu'aucun des lasers n'a permis l'élimination des salissures biologiques (algues ou lichens).
Suivant les réglages et la focalisation, l'intensité lumineuse sur le support peut varier de 150 millijoules à 400 millijoules, pour un faisceau variant de 2 à 7 mm de diamètre; soit, pour un impact de 7 mm, une densité d'énergie allant de 0.3 joule par cm 2 à 1 joule par cm 2 et par tir.
Si la puissance crête peut atteindre 50 mégawatts, ce flux intense est quasi instantané et donc n'engendre que des phénomènes athermiques dans l'interaction laser-matière.
Ce qui est tout à fait différent des conditions obtenues avec d'autres laser ND YAG, relaxé par exemple, dont la densité d'énergie peut aller jusqu'à des dizaines de joules par cm 2 pour des durées d'impulsion de plusieurs centaines de microsecondes et dont l'utilisation sur des supports pierreux peut engendrer des phénomènes de vitrification (Maravelaki et al. 1992).
Les réactions physiques mises en jeu avec le laser sélectionné entraînent une figure ablation confinée.
L'impact laser provoque une ionisation visible sous forme d'un éclair lumineux lors de la réaction qui se traduit par une vaporisation d'une partie des salissures à la surface du matériau, l'autre partie étant pulvérisée sous forme de particules similaires à des poussières.
Le plasma induit se refroidit très rapidement et se détend en exerçant une forte pression locale. Celle-ci engendre une onde de choc qui, d'une part, se propage sans dommage dans le matériau et, d'autre part, éjecte les particules noires en les désolidarisant du support. Le plasma se confine dans la pellicule de salissure, provoquant ainsi la désincrustation, mais la réaction est mieux assurée par une légère pulvérisation d'eau en surface.
Un des aspects attractifs de l'utilisation de cette technique réside dans le nettoyage sans préconsolidation préalable et sans perte de matière des pierres sales et altérées. L'épiderme est conservé intact et l'élimination des salissures peut être progressive, grâce à la possibilité de faire varier les réglages d'énergie et de fréquence (nombre d'impulsions par seconde).
Des contrôles plus poussés ont alors été mis en oeuvre:
- en microscopie électronique à balayage (MEB), pour une reconnaissance des éventuelles modifications superficielles:
- par examens de sections polies afin d'aboutir à une description détaillée de l'effet du laser sur l'épiderme de la pierre (aspect et épaisseur de la croûte noire et des couches sous-jacentes, élimination totale ou partielle),
- par examens pétrographiques de lames minces, pour le contrôle de la conservation des différents niveaux d'altérations et des couches de traitements anciens ainsi que pour la mise en évidence des éventuels effets sur la structure minéralogique,
- par analyse en diffractométrie de rayons X pour la recherche d'une possible transformation minéralogique.
L'ensemble de ces contrôles et observations a montré que le laser choisi, dans des conditions optimum d'utilisation permettait un nettoyage efficace et non agressif de la pierre (Vergès-Belmin et al. 1993).
Le laser de chantier
Le monument ne pouvant aller au laboratoire, il fallait amener le laser sur le site, d'où l'idée de concevoir un système mobile, fiable et utilisable sur chantier par des restaurateurs spécialisés.
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Le premier prototype de laser portable (ou de chantier) a pu voir le jour, en 1992, grâce au financement d'une société constitué de la réunion d'entreprises spécialisées dans la restauration de monuments historiques (SNFL).
Compte tenu des conseils des scientifiques et des praticiens de la restauration, l'idée directrice dans la conception de la machine était la facilité d'utilisation pour le futur opérateur. Bien qu'issue d'une technologie de pointe, cette nouvelle méthode doit être considérée comme un outil supplémentaire de travaiL Par conséquent, le restaurateur, s'il ne doit pas ignorer les bases de la physique des lasers et de l'interaction laser-matière, n'est pas obligé pour autant de se transformer en "lasériste"; il doit pouvoir compter sur un matériel fiable.
La source laser a donc été miniaturisée et les boîtes d'alimentation compactées. Le tout a été rassemblé dans une sorte de "grosse armoire" surmontée d'un bras articulé. Celui-ci amène le faisceau de la source au support à nettoyer. La transmission se fait grâce à des miroirs dans les rotules du bras. L'extrémité de ce bras est muni d'un poignet qui assure une grande maniabilité et permet de pointer le faisceau avec précision. Un système de focalisation autorise la variation du diamètre du faisceau de 1 à 20 mm. Enfin, un boîtier de commande permet le réglage de l'énergie lumineuse nécessaire. La fréquence de tir (c'est-à
dire le nombre d'impulsions par seconde) est aussi réglable. L'opérateur peut donc agir sur la densité d'énergie finale (l'énergie par unité de surface de support).
Figure 1 : Aspect de la machine de chantier de la 2ème génération.
Boîtier laser et bras articulé.
Sécurité liée à j'utilisation
L'inconvénient majeur de l'utilisation du laser est le danger pour les yelL'c En effet, aux niveaux d'énergie utilisés, un laser à solide en régime impulsionnel peut créer instantanément sur la rétine un flux équivalent à celui d'un milliard de soleils. Le faisceau est émis dans l'infrarouge si bien que l'oeil ne le
distingue pas. Or, la lumière peut détruire localement, mais de manière irréversible, la rétine; dans ce cas, la vision est réduite, si ce n'est détruite. Le port de lunettes spécifiques de protection est donc obligatoire pour tous ceux qui se trouvent dans l'environnement proche de la machine. Cela représente la seule contrainte impérative sur les personnes, liée au fonctionnement de l'outil. Par ailleurs, plusieurs systèmes de sécurité équipent le prototype pour former la boucle de sécurité (double contacteur pour l'émission du faisceau: pédale et gâchette, contrôle d'accès à la zone d'intervention).
Il faut souligner qu'après le prototype, une deuxième génération de machines a vu le jour (figure 1), beaucoup plus compactée et avec des mesures de protection encore accrues, comme un détecteur de proximité qui coupe le faisceau quand la distance entre la pièce à main et le support dépasse une certaine valeur pré-déterminée.
Contrôle du nettoyage par laser Tour de France
Il était indispensable, à ce stade, de poursuivre dans la voie ouverte par une étude plus complète sur d'autres matériaux et d'autres formes de salissures, donc sur divers édifices. L'objectif était triple: avoir une meilleure définition des conditions d'emploi du laser sur site (sécurité, conditions d'environnement sur le chantier, ... ), obtenir des informations précieuses des différents opérateurs sur les conditions d'utilisation proprement dites du matériel, en vue d'une nécessaire optimisation, enfin, pouvoir collecter un maximum de renseignements scientifiques afin d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu.
Les critères de choix retenus ont été d'ordre:
- scientifique: variété des matériaux, des types d'altération et de l'encrassement,
- administratif et financier: existence d'une étude préalable ou de travaux en cours, présence d'échafaudages, ...
- géographique: variétés des lieux et des conditions d'intervention.
Déroulement
Formation des opérateurs
Comme toutes les techniques de nettoyage, le laser doit être utilisé à bon escient par des restaurateurs spécialisés. Après le choix des édifices (13 en 1993 et 9 autres, en 1994), chaque expérimentation a été affectée à un restaurateur qualifié, reconnu pour ses compétences.
Un stage de formation a été mis sur pied pour préparer les utilisateurs retenus à leur nouvel outil. Il s'est déroulé au laboratoire de Champs-sur-Marne et comprenait:
- une partie théorique relative au laser (physique des lasers, notions d'interaction laser/matière, problèmes de sécurité) et à son application sur les monuments historiques (contrôle scientifique du nettoyage, rendus et critères de choix),
- des travaux pratiques de manipulation de la machine.
Les restaurateurs ont été associés à la recherche en cours; il leur a été demandé de mettre en oeuvre sur chaque site un même protocole d'intervention. Ce dernier comporte:
- un état des lieux (type de pierre, salissures, formes d'altération, présence ou non de badigeons et/ou de polychromie),
- une appréciation quant à la pratique de l'appareil et au rendu final par la réalisation de grandes plages de nettoyage,
- divers tests reposant soit sur des paramètres prédéterminés pour connaltre les possibilités (minima et maxima) de la machine, soit sur des paramètres optimisés correspondant au cas de figure. Un contrôle scientifique systématique accompagne ces tests, comportant, entre autres, des prélèvements de petites carottes avec une partie nettoyée et non nettoyée, pour réalisation des examens de laboratoire.
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Pour chacun des prélèvements, la première phase de l'étude scientifique a été l'observation à la loupe binoculaire et la prise de figures de chacune des écailles présentant partie nettoyée au laser et non nettoyée.
La deuxième phase a consisté en la réalisation de sections polies suivie de la fabrication de lames minces.
Description d'un exemple
Rouen (Seine maritime): Cathédrale Notre Dame Les essais ont été réalisés sur deux secteurs:
- le portail Saint Jean, en façade occidentale, sur le tympan et sur un dais de la voussure Sud, - le portail des Libraires, en façade Nord, sur le piedroit Est, partie basse ornée de quadrilobes.
La gravité de l'encrassement des décors sculptés en pierre de Vernon et l'interruption du nettoyage par nébulisation (décision prise devant les risques liés à l'utilisation de l'eau pour l'épiderme fragile de la pierre) ont motivé l'emploi du laser.
Les résultats ont été spectaculaires tant sur le portail Saint Jean que sur celui des Libraires et ont entraîné un enthousiasme général lors de la mise au jour du décor flamboyant du dais, par exemple: la finesse de la sculpture a pu ainsi être révélée dans son intégralité, malgré les incrustations atteignant, parfois, une épaisseur d'l cm (figure 2).
Les desquamations et les soulèvements localisés ont été traités efficacement, sans perte de matière.
L'épiderme a, dans tous les cas, été conservé et la pierre a retrouvé une couleur chaude. Les tests, comme décrits précédemment, suivis de prélèvements ont alors été mis en oeuvre.
Figure 2 : Rouen - Cathédrale Notre Dame - Aspect d'un dais du portail Saint Jean, en partie nettoyé;
tout le réseau très finement sculpté est révélé; état des importants encroûtements d'origine, masquant la sculpture en partie droite de la figure.
.1
Figure 3 : Visualisation des différents tests effectués.
A : Test optima; les paramètres de densité d'énergie et de fréquence sont choisis en fonction d'un nettoyage correct à l'oeil, soit sur un carré de 2 cm de côté:
- diamètre du faisceau: 6 mm - densité d'énergie: 0.6 joule/cm 2 - fréquence : 30 Hz (30 tirs/s) - durée du test: 18 s
B: Test minima; les paramètres sont définis pour correspondre au minimum de capacité de la machine : Soit, sur un carré de 1cm de côté:
- diamètre du faisceau : 18 mm - densité d'énergie: 0.1 joule/cm2 - fréquence: 1 Hz (l tirls)
- durée du test: 1 s
C: Test maxima; les paramètres sont définis pour correspondre au maximum de capacité de la machine, soit, sur un carré de 3 cm de côté:
- diamètre du faisceau : 2 mm - densité d'énergie: 1 joule/cm2 - fréquence : 30 Hz
- durée du test: 1 mn
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L'examen des sections polies puis des lames minces montre que les croûtes noires du portail Saint Jean sont globalement plus épaisses (80 à 650 ~) que celles du portail des Libraires (5 à 50 ~m). Parfois des couches correspondant à des reliques de traitement ont été mis en évidence.
En principe un nettoyage ne devrait pas affecter le niveau de gypse limpide développé sous la surface de la pierre (Vergès-Belmin 1994). Par ailleurs, il semble raisonnable de préserver les badigeons ou reliques de traitements anciens que la pierre a pu subir (Vergès-Belmin et al. 1993).
On peut remarquer que :
- Les conditions "minimales" d'intervention n'enlèvent aucune matière: la différence entre la zone non lasérisée et lasérisée n'est pas perceptible.
- Les conditions "optimales" ne permettent pas toujours de préserver complètement la couche de sulfatation, dans ces petites zones "test", nettoyées du portail Saint Jean. Par contre, celles choisies au portail des Libraires préservent parfaitement à la fois la couche de sulfatation lorsqu'elle existe et les restes de traitement superficiel de la pierre, dans la zone "test" nettoyée.
Parfois, des résultats surprenants ont été observés pour certains tests : les paramètres choisis donnaient un nettoyage apparemment optimum à l'oeil , or, l'examen de la section polie a montré que la couche de salissure n'a pas été enlevée mais plutôt uniquement débarrassée de ses particules noires, comme
"décolorée"; le nettoyage dans ce cas se situe entre le minimum et l'optimum (figure 4).
- Les conditions "maximales" sont parfois drastiques, avec creusement dans la pierre . Dans d'autres situations elles permettent de préserver l'épiderme et les couches de traitement (figure 5) Ces différences de résultats sont probablement dues à une nature et une consistance différente de la salissure.
Figure 4 : Profil d'altération de la pierre, partie non nettoyée et nettoyée, test optimum.
Dans la partie nettoyée (à droite), la couche de salissures paraît encore présente mais débarrassée des particules noires. L'épiderme de la pierre est conservé intégralement.
Figure 5 : Profil d'altération de la pierre, zone non nettoyée et nettoyée, test maximum.
Seule la croûte noire est éliminée, la couche de traitement sous-jacente est quasi intacte.
Perspectives
Aspect ''jaune 1/ de la pierre
Dans la majorité des cas, le laser permet de préserver intégralement l'épiderme de la pierre et par conséquent le rendu fmal diffère par rapport à celui obtenu avec d'autres méthodes de nettoyage. On constate un aspect jaune de la pierre ou du plâtre, après élimination des salissures noires.
Ce phénomène ne se produit pas lorsque le laser est utilisé sur un matériau exempt de croûtes noires. En outre, la ou les substances responsables de cette couleur sont extractibles à l'eau.
L'hypothèse formulée est donc que cette "coloration" serait directement liée à la salissure et qu'elle correspondrait à une sorte de patine naturelle.
Les études se poursuivent pour défmir le phénomène.
Polychromies
Certains essais de nettoyage laser sur la pierre ont montré que lorsque celle-ci est polychrome, certains pigments de la couche picturale, sous l'effet de la lumière, changent instantanément de couleur. Il est apparu indispensable de connaître le processus physique ou chimique engagé lors de cette
"transformation" .
Pour bien cerner le problème, l'effet du laser a été évalué sur chacun des constituants de la couche picturale (pigments, liants) pris séparément ainsi que sur certains produits utilisés lors des restaurations ou traitement de protection (hydrofuges, consolidants).
Une trentaine d'échantillons a été sélectionnée et préparée au L.R.M.H puis soumise au rayonnement laser et analysée:
- La Société B.M. Industries s'est chargée de l'aspect physique du problème en analysant le spectre du rayon réfléchi, après tir sur les échantillons, afin d'essayer d'associer l'altération des couleurs à une modification du faisceau.
- Le Laboratoire de Minéralogie-Cristallographie, Universités Paris 6 et 7 tente de comprendre les transformations minéralogiques des pigments après tir laser. Actuellement, les résultats sont en cours d'exploitation.
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Conclusion
L'ensemble de ces expérimentations pennet aujourd'hui de penser que le laser s'inscrit comme un outil supplémentaire pour le nettoyage de la statuaire. Mais il est impératif de souligner l'importance du choix de la source et des caractéristiques du laser utilisé et il faut bien se garder d'employer seul le tenne générique de "laser", pour définir la méthode de nettoyage.
Dans la majorité des cas, le laser pennet de préserver intégralement l'épidenne de la pierre et le choix final de l'utilisation de cette technique, sur pierre non polychrome, ne devrait reposer que sur des critères d'ordre esthétique, en raison de l'aspect final différent de celui obtenu avec les méthodes traditionnelles de nettoyage (Vergès-Belmin 1995).
Enfin, toutes ces observations confirn1ent la difficulté de l'évaluation à l'oeil ainsi que du choix des méthodes de contrôle scientifiques du mt:illeur nettoyage et prouvent, s'il le fallait, toute l'importance de la qualité de l'intervention.
Remerciements
L'auteur souhaite remercier Monsieur Jantzen, Architecte en chef des Monuments historiques qui a autorisé la mise en place des essais sur la cathédrale de Rouen ainsi que Monsieur Giordani, restaurateur de sculptures des Ateliers Legrand qui a réalisé les tests.
Références
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Abstract
Since approximatively 20 years, the cleaning methods of stone sculpture have considerably evolved.
Nowadays, higly sophisticated cleaning techniques, like the laser, begin to be used on a large scale. Since 1987, the Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques has made researches on this method, which have led to the construction of a portable machine, capable to be used on scaffoldings. It has then become possible to make tests on many sites, and by means of scientific control s, to better evaluate the laser potentialities. These tests have also raised sorne particular problems of interaction laser beam and certain materials. These problems must be understood and overcome .
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