La PETITE apARTé scientifique – Que reste-t-il de Jeanne d’Arc ? Ou la carbonisation du bois au secours de l’archéologie

Jeanne d’Arc au bûcher

Jeanne d’Arc au bûcher Hermann Anton Stilke 1843 Huile sur toile Saint-Pétersbourg, Musée de l’Ermitage

Nous y voilà pour le premier bonus de l’apARTé scientifique -petite larme d’émotion … Billy ! Ouvre le champagne !- qui aura pour sujet la carbonisation ou pyrolyse -range ton Pokédex, ce n’est pas l’évolution d’Evoli ! Et puis tu l’as surnommé Rainer en plus ! (petite blague pour les joueurs de PokemonGo)- du bois. Car en effet ce sujet, en marge de celui traité dans l’apARTé scientifique officielle du numéro Ardent, nous intéresse particulièrement en archéologie où certains sites très anciens comme celui de Mureybet -de 9 500 à 8 300 avant Jules César si tu te souviens des cours d’Ariane Thomas … enfin je crois …- nous sont restés justement car certains bâtiments, avec des armatures en bois par exemple, ont brûlés et ne se sont donc pas décomposés. Petite étude de ce phénomène passionnant -si si, je vous jure !

 

Tout d’abord, faisons un petit point sur la composition du bois, parce qu’il est complexe le bougre ! Donc dans du bois vous avez : des « extraits » (résines, tanins, pigments, …) entre 4 à 15 %, de la lignine entre 18 et 35 %, de l’holocellulose (cellulose et hémicelluloses) entre 40 et 60 % et des « cendres » (oxydes de Ca, K, Na, Mg, Si, Fe, P, …) pour environ 1 %.

Du calme Billy du calme ! On va voir les choses dans l’ordre ! Concentrons nous sur les trois principaux composant du bois : lignine, cellulose et hémicellulose. Je pourrais me lancer dans une explication compliquée avec plein de noms en -ose et en -ane mais en bref, c’est du carbone (C), de l’oxygène (O) et de l’hydrogène (H). Je donne les formules semi-développées pour les courageux et les fous (dont je fais partie –#chemicalorgasm !  :

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Ainsi, on peut considérer que la composition moyenne chimique du bois est : CH1,44O0,66. J’avoue, ça ne va pas nous servir des masses -molaires ! … Rigole Billy !- mais j’aime avoir une belle formule propre. Car en effet, le bois étant composé de divers éléments, chacun réagit indépendamment à la pyrolyse ! Alors allons-y !

 

La pyrolyse (on ne parle pas ici de combustion, qui est en fait une pyrolyse suivie de la combustion des gaz formés) est un procédé de transformation de solides en gaz divers par leurs décomposition. En clair ce n’est pas un bête changement d’état comme pour l’eau par exemple, la molécule est séparée en plusieurs plus petites qui sont plus stables à une température donnée, souvent sous forme gazeuse. Je me contenterai ici de la pyrolyse lente, pour laquelle j’ai beaucoup plus d’informations -oui, ça veut dire qu’il en existe une rapide, t’es un p’tit génie toi !- et parce que c’est ce qu’il se passe en général lors d’un feu de bois.

 

De ce fait, lors d’une pyrolyse, on observe une déshydratation du bois aux alentours de 100 °C. Puis a lieu un dégagement de dioxyde de carbone (CO2), d’eau (H2O) et d’acide acétique (CH3COOH) entre 100 et 250 °C. Ensuite, de 250 à 500 °C a lieu un dégagement gazeux rapide de monoxyde de carbone (CO), de dihydrogène (H2) (qui se lie directement au dioxygène (O2) de l’air pour former de l’eau) et de méthane (CH4) et la formation de goudrons. Enfin, quand la température dépasse les 500 °C se forme une formation de charbon de bois (composé de carbone et de quelques composés minéraux), ce qui nous intéresse tout particulièrement !

 

Tous les mécanismes ne sont pas encore connus mais pour étudier tout ceci de façon plus précise, voici quelques explications.

Les lignines se décomposent tout d’abord en fragments aromatiques (vanilline, syringaldéhyde, phénols et crésols) :

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Puis ces produits aromatiques se décomposent ensuite, au fur et à mesure que la température monte, en méthanol (CH3OH). Enfin, à plus haute température, la lignine est en grande partie à l’origine du charbon de bois.

Les hémicelluloses se décomposent en furfural, furanne, acide acétique et aldéhydes divers, comme le formaldéhyde :

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Pour le cas de la cellulose, on assiste à une hydrolyse interne (adjonction d’eau) et une déshydratation conduisant à un produit primaire qui est le lévoglucosane. Stable jusqu’à environ 210 °C, il se décompose à partir de 270 °C pour donner de l’eau, des acides formique et acétique et des phénols :

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Au-delà de 500 °C une partie des grosses molécules se recondensent pour s’agréger dans le charbon de bois qui provient principalement de la lignine. Les plus petites molécules, en se décomposant à partir de 250 °C, sont responsables quand à elles des différents  gaz formés :

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Ouf ! Nous voilà enfin avec notre charbon de bois ! Voilà la clé de l’éternité pour notre bois, qu’il s’agisse de la charpente d’une maison néolithique ou des piliers d’un temple assyrien ! En effet, cette carbonisation empêche totalement la décomposition. Pour expliciter un peu tout ça : la décomposition ou putréfaction du bois est conduite par divers insectes xylophages, champignons et bactéries qui, en ingérant et digérant le bois (matière organique), le réduisent peu à peu en matière inorganique. Ils le minéralisent ! Pour entrer dans les détails, ils brisent les liaisons des molécules organiques et en tirent de l’énergie, mais cela ne fonctionne que jusqu’à la minéralisation complète, car alors les liaisons ne sont plus aussi fragiles. Ainsi, avec notre charbon de bois composé essentiellement de carbone, plus de décomposition, car ses agents, ne pouvant plus en tirer d’énergie, ne sont plus intéressés !

 

Une carbonisation superficielle du bois est d’ailleurs régulièrement utilisée pour le protéger des outrages du temps. C’est le cas pour la plupart des constructions anciennes imposantes, comme les églises, qui reposent sur des pieux ayant subi une carbonisation. Elle a aussi été utilisée pour traiter le bois de marine d’après les proposition de Henri Cochon de Lapparent (1807-1884), citant entre autres la longévité exceptionnelle du HMS Royal William de 1719 dont les bois auraient été carbonisés. Ainsi les charpentes étaient carbonisées avec de la paille ou des fagots enflammés et certaines pièce de membrure isolée, par de petit feux de copeaux. On  suggérait aussi de leur appliquer du gaz d’éclairage au chalumeau. Comme les bateaux, des traverses de chemin de fer seront traitées par cette méthode. Pour ce qui est de l’architecture, on observe aussi cette méthode au Japon, dans la technique traditionnelle du yakisugi ou shō sugi ban. En archéologie enfin, on retrouve régulièrement du charbon de bois sur les sites. Il peut alors servir autant à mieux comprendre la nature des vestiges en question par 

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sa forme qu’à les dater par carbone 14 (pratique quand on a un truc composé exclusivement … de carbone !). L’étude de ce charbon de bois se nomme anthracologie.

Voilà voilà ! Et en espérant que le soleil estival ne vous carbonise pas, toute l’équipe de l’ApARTé scientifique (Billy et moi) vous souhaite de bonnes vacances !

 

Raphaël Vaubourdolle

 

 

 

 

L’ApARTé scientifique – Les argiles les plus chaudes de ta région ou étude des transformations des matériaux soumis aux fortes températures

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Juin 2019. La canicule s’étend comme une chape de plomb brûlante sur la France. La moindre goutte d’eau vous paraît plus désirable que n’importe quel Marcellus ou torse de Milet. Vous portez à votre bouche une bouteille pour hydrater votre muqueuse qui vous semble plus sèche encore que le désert d’Atacama, à l’argile craquelée. Mais une question arrête votre geste : mais comment se fait-il que l’argile devienne imperméable après cuisson quand moi je peux me réhydrater à loisir ? -oui, vous êtes tarés, du moins moi je le suis et je me rassure en vous imaginant comme tel. Mais plus encore, quels sont donc les mécanismes de transformation des matériaux soumis à de fortes températures ? Nous nous contenterons des matériaux inorganiques parce que quand ça brûle … ça brûle quoi -mais ça serait parfait pour un petit bonus de l’été. Alors prend une bière Billy -1 litre et demi selon FR3, #seventies- et embarquons pour les magnifiques rivages de la physico-chimie !

 

Pour faire court, les différents éléments se trouvent sous trois états : solide, liquide et gazeux. La différence entre ces états provient de l’agitation moléculaire. L’agitation moléculaire ? Qu’est-ce à dirre que ceci ?! En fait, les molécules au sein de la matière s’agitent, frissonnent, remuent le derrière sur on ne sait quelle musique atomique -en tout cas ça doit être de la bombe ! … tuez moi. Si elle s’agitent peu, la fête moléculaire est au plus bas. Des liaisons moléculaires, telles de petits groupes de discussion, se forment et la matière se trouve donc à l’état solide. Quand l’ambiance se chauffe un peu, l’agitation moléculaire augmente, elles oublient le blabla, les liaisons sont moins fortes et la matière devient liquide (c’et la fusion). Mais si on augmente encore la température, toutes se mettent à twerker, à swinguer, à zouker à tout va et aux quatre vents, plus aucune liaison ne vient les restreindre. La matière arrive alors dans son état gazeux, c’est la vaporisation.

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Bon, ça c’est la base, mais cela va nous permettre de répondre à la problématique précédemment édictée -oui je te vois, toi au fond qui ne suis pas et c’est INADMISSIBLE, ne pas se préoccuper ainsi de ces ENJEUX MAJEURS ! … pardon- pour pas mal de matériaux mine de rien. C’est ainsi que l’on parvient à modeler la plupart des métaux, voici un petit tableau récapitulatif des points de fusion de quelques uns d’entre eux :

 

Pour ce qui est du verre, il atteint son point de fusion entre 1400 et 1600 °C  selon sa composition (pour information : le verre silicium, qui est le composant principal de la plupart des verres, atteint sont point de fusion à 1 730 °C). Mais il s’agit d’un solide non-cristallin, donc c’est un peu plus compliqué … disons simplement que c’est un peu comme un liquide mais en très très très visqueux. Je vous laisse avec ça, les plus tarés d’entre vous iront se renseigner (notamment sur le transition vitreuse, fascinant …).

 

Mais passons maintenant plus gros du sujet. Et à la réponse à notre question de départ : pourquoi donc l’argile devient-elle imperméable après cuisson ? Réponse simple de la plupart des sites ou livres : “car elle se transforme en matériau céramique de manière irréversible à très haute température”. Mais votre fidèle fou à lier serviteur ne peut pas se contenter d’une telle réponse, il me fallait aller plus loin. Pour cela, quittons la physique pour la chimie, mon sujet de prédilection : âmes sensibles s’abstenir, il va y avoir de la formule chimique ! Etant donné qu’il existe d’innombrables sortes d’argiles, nous nous contenterons de nous préoccuper de la kaolinite, composante de la plupart d’entre elles. 

Premièrement, sachez que la kaolinite (Al2Si2O5(OH)4) est ce que l’on appelle un silicate d’aluminium, soit un composé chimique d’oxyde d’aluminium, ou alumine (Al2O3), et de dioxyde de silicium, ou silice (SiO2). Hors, lors d’une calcination (cuisson), la kaolinite est soumise à plusieurs réactions chimiques se réalisant à certaines températures précises. Ces réactions permettent la formation d’un matériau céramique, moins perméable, en lieu et place de l’argile : c’est la terre cuite.

La première réaction a lieu, à pression atmosphérique, aux environs de 550 °C, c’est la déshydroxylation. En soit, il s’agit de la séparation de groupes hydroxyles (OH) d’un composé chimique par l’adjonction d’hydrogène (H), ce qui donne un composé instable et de l’eau (H2O). Le composé ici formé est un type de métakaolin –Métakaolin. Pokémon de type silicate d’aluminium anhydre (sans eau liée à lui). Existe sous plusieurs formes– (Al2Si2O5). En formule chimique simplifiée (car je ne représente que ce qui m’intéresse ici) ça donne ça :

 

Al2Si2O5(OH)4 → Al2Si2O5

 

Ensuite commence le plus gros de la composition chimique. C’est ainsi qu’à 980 °C le métakaolin, réagissant avec du dioxygène (O2) présent dans l’air, se scinde en alumine (Al2O3), en un type de spinelle –Spinelle. Pokémon de type PUTAIN DE COMPLEXE. Ne vaut pas la peine d’aller plus loin– (Al2O3 , 3 SiO2) et en silice amorphe (SiO2). Je vous remet une formule chimique, une bien complète celle-ci :

 

3 Al2Si2O5 + 6 O2 → Al2O3 + 2 Al2O3 , 3 SiO2 + 3 SiO2

 

Enfin, à 1 150 °C, l’alumine et le spinelle réagisse ensemble pour former de la mullite, un autre silicate d’aluminium, (Al2O3 , 2 SiO2) et de nouveau de la silice amorphe selon la formule suivante :

 

Al2O3 + 2 Al2O3 , 3 SiO2 → 3 Al2O3 , 2 SiO2 + SiO2

 

Et c’est tout. On s’arrête là. Car en effet les cristaux de mullite ainsi formés rendent la structure bien plus imperméable. La mullite étant stable à toutes les température à pression atmosphérique, cette réaction est irréversible et l’argile utilisée ne sera plus jamais la même.

 

Ah ! Ça fait du bien de répondre de manière satisfaisante à une question qui, si elle ne paraît pas très complexe, représente un vrai casse-tête si on s’y penche un peu. Mais je ne pense pas avoir encore fait le tour de la question. C’est pourquoi je vais sans doute vous proposer un certain nombre de petits bonus estivaux, pour le plus grand plaisir de mon esprit malade et des quelques irréductibles lecteurs qui, en pleines vacances, continuent à lire notre grand et magnifique Louvr’Boîte.

 

Raphaël Vaubourdolle