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Apports des essais mécaniques : Évaluation de la vulnérabilité et des risques de dégradation des peintures.

Alain Roche

Abstracts

The conservation of paintings on canvas is closely associated with the understanding of their physico-mechanical properties. Using mechanical testing is essential when developing tools to assess the level of vulnerability and risks of mechanical degradation in paintings. This paper addresses a series of studies highlighting the need of a systemic approach to decision-making for structural treatments.

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Full text

Introduction

  • 1 MECKLENBURG, M.F., Micro Climates and Moisture Induced Damage to Paintings. Smithsonian Museum Cons (...)
  • 2 BICHLMAIR, S., HOLL, K., AND KILIAN, R., "The moving fluctuation range – a new analytical method fo (...)

1De nombreux travaux démontrent que l’environnement climatique est un facteur majeur de dégradation mécanique des peintures.1 Il est omniprésent et accompagne inévitablement les œuvres, quels que soient les lieux et les circonstances. Le ressenti des variations de la température et de l’humidité n’est pas une illusion, mais une réalité.2 À chaque moment de la journée, les objets d’art sont soumis à ces fluctuations environnementales.

2Du point de vue pragmatique, un responsable de la conservation d’une collection de peintures aurait besoin d’outils d’évaluation du degré de vulnérabilité et des risques potentiels de dégradation mécanique pour établir une fiche de vulnérabilité de chacune des œuvres.

3Le degré de vulnérabilité au climat d’un tableau peut être défini comme son aptitude à subir des dommages plus ou moins importants en cas de variations climatiques. Il associe deux critères :

  • La fragilité qui est représentée par la contrainte à la rupture du film de peinture

  • La sensibilité à l’humidité ou la température qui est décrite par un diagramme.

4De ce fait, le degré de vulnérabilité permettra de classer les peintures.

5L’évaluation des risques de dégradation mécanique s’appuie essentiellement sur les relations qui existent entre les propriétés physico-mécaniques de la peinture vis-à-vis de l’environnement et sa limite d’endurance en fatigue mécanique qui délimite une zone de tolérance à la rupture des peintures soumises à des variations de tension.

6Dans les deux cas de figure, ces deux outils font appel aux propriétés physiques et mécaniques des peintures qui ne peuvent être obtenues que par des essais mécaniques.

Les peintures comme objet d’étude

7Dans une collection, les peintures se présentent comme des objets à deux dimensions si on néglige l’épaisseur vis-à-vis des deux autres dimensions. Par rapport aux objets 3D, les surfaces des objets 2D sont plus exposées. Par exemple, un objet de forme cubique ayant une arrête de 0,71m a une surface exposée de 3 m² alors qu’une peinture de 1,5 m sur 2 m a une surface exposée 6 m² en considérant le recto et le verso (Figure 1).

Fig.1: Surfaces exposées d’un objet 3D et 2D

Fig.1: Surfaces exposées d’un objet 3D et 2D

Représentation en 3D et 2D d’objets

Crédit © LARCROA

8Par conséquent, les objets 2D, tels que les peintures, dessins, gravures, sont plus exposés aux conditions environnementales

9Les propriétés physiques et mécaniques des matériaux sont liées à leur nature chimique. Les peintures, constituées de matériaux hydrophiles et hydrophobes, sont sensibles à l’humidité et la température. La réactivité et la fragilité des peintures peuvent être évaluées en s’appuyant sur leurs propriétés physico-mécaniques en fonction de l’humidité et de la température.

Les équipements

10Les laboratoires de mécanique sont équipés d’appareils et de machines spécifiques conçus pour évaluer certaines propriétés physico-mécaniques des matériaux. Il existe une série d’essais et de tests qui permet de caractériser les propriétés mécaniques.

11Ce domaine de la recherche est compliqué, car les essais encadrés par des normes internationales ne sont pas adaptés aux études du comportement des peintures. Dans ce cas, les essais doivent s’adapter à leur matérialité, les protocoles expérimentaux doivent prendre en compte la spécificité des différentes techniques picturales. Pour s’approcher au mieux des conditions réelles de conservation, de nouveaux dispositifs expérimentaux ont été développés dans le cadre du LARCROA, en modifiant des équipements.

12L’interprétation des résultats est obtenue en s’appuyant sur des outils mathématiques ou des méthodes analytiques. Elle reflète une certaine réalité qu’il faut malgré tout tempérée vu la disparité et la singularité de chaque peinture. Peu utilisée dans le domaine de la conservation de l’art, la caractérisation physique et mécanique des œuvres d’art se heurte en France à un manque d’intérêt de la part des scientifiques de la conservation.

13Ce document présente les principaux essais qui ont été développés, depuis plus de vingt ans, pour l’étude des peintures au sein du LARCROA. Notre souci est d’obtenir des résultats exploitables dans le domaine de conservation des œuvres d’art. Chaque essai est décrit simplement. Il est complété par la liste des grandeurs physico-mécaniques obtenues. Des exemples illustrent leurs potentialités.

Essais de traction

14L’essai de traction s’effectue sur une Machine Universelle de Tests (UTM) (Figure 2). Il permet de mesurer le degré de résistance à la rupture d’un matériau. L’échantillon est fixé entre les deux attaches aux extrémités sur l’axe vertical de la machine à colonne. Les essais sont réalisés dans des conditions climatiques stables (21°C, 50 % HR). La traverse mobile se déplace à une vitesse constante paramétrée.

Fig.2 : Machine Universelle de Tests (UTM)

Fig.2 : Machine Universelle de Tests (UTM)

LLYORD LRX 2500

Crédit © LARCROA

15Pour avoir des résultats significatifs, les essais sont effectués sur 5 éprouvettes d’un même lot de peinture. La force de traction s’applique sur l’éprouvette jusqu’à sa rupture suivant un processus de mise en charge à vitesse de déformation constante.

16L’essai de traction permet d’obtenir les grandeurs mécaniques suivantes :

  • Force maximale (N)

  • Contrainte à la force maximale de la peinture et de son support (MPa)

  • Contrainte de rupture du film peinture (MPa)

  • Seuil d’élasticité (MPa)

  •  % d’allongement à la force maximale

  • Module d’élasticité de Young à l’origine ou à un % d’allongement déterminé (MPa)

17En règle générale, les courbes présentent plusieurs parties. Leur interprétation met en évidence les différents comportements de la peinture :

  • Domaines - élastique, viscoélastique ou viscoplastique du film de peinture

  • Vitesse de propagation des craquelures

  • Comportement de la toile ou du support

  • Types de rupture de la peinture - film ductile, film cassant

  • Types de rupture du support – nette, avec effilochage

18Une peinture se présente comme une succession de couches solidaires formant un stratifié. Chaque matériau est doté d’un module d’élasticité et c’est celui qui possède le module le plus élevé qui imposera son comportement. Ce principe est recevable et plusieurs cas de figure de rupture sont possibles.

191er cas : Le support est plus rigide que le film de peinture. Dans le cas d’une peinture sur métal, sur pierre, sur mur, sur bois, sur verre, le matériau du support est très résistant et peu déformable par rapport à la matière picturale. En se cassant brutalement il entraîne la rupture de la matière picturale. L’essai de traction mesure uniquement les caractéristiques mécaniques du support.

202e cas : Le support est aussi élastique que la couche picturale, mais plus tenace. Ce type de cas peut-être illustré par l’application d’une couche picturale récente (huile, acrylique, vinylique…) sur des toiles, des non-tissés. La courbe de traction d’une peinture Liquitex® sur un non-tissé de polyester illustre ce cas (Figure 3).

Fig. 3 : Courbe de traction d’une peinture Liquitex® sur non-tissé encollé de Plextol® B 500, d’un non-tissé encollé de Plextol® B 500 et la courbe théorique du Liquitex®

Fig. 3 : Courbe de traction d’une peinture Liquitex® sur non-tissé encollé de Plextol® B 500, d’un non-tissé encollé de Plextol® B 500 et la courbe théorique du Liquitex®

Logiciel NEXYGEN (version 3). Procédure de rupture en traction (40/060)

Crédit © LARCROA

21Le graphe de la figure 3 présente les courbes de traction d’une peinture acrylique Liquitex® sur un non-tissé de polyester imprégné de Plextol® B 500 et d’un non-tissé de polyester encollé de la même résine acrylique. Le module d’élasticité de la peinture sur non-tissé est plus élevé et la force de rupture du non-tissé seul est plus faible. En appliquant la loi d’additivité [4], la résistance du film de peinture peut être calculée en soustrayant à la contrainte de rupture de la peinture sur non-tissé la valeur de la contrainte du non-tissé pour la même déformation. Dans ce cas, la courbe verte représente la courbe théorique du film de Liquitex®. Sa contrainte à la rupture est d’environ 4 MPa.

  • 3 A. ROCHE, La conservation des peintures modernes et contemporaines, CNRS Editions 2016 p. 20-21.

223e cas : La matière picturale a un module d’élasticité plus élevé que le support. C’est le cas des détrempes, peinture à la caséine sur toile et des peintures anciennes à l’huile ayant perdu leur élasticité. Au début de l’essai de traction, c’est le film de peinture qui imposera son comportement jusqu’à la rupture de la matière picturale. Ensuite c’est le support qui sera sollicité jusqu’à sa rupture. Dans cet exemple3 la rupture de la couche picturale de cette peinture à l’huile sur toile est facilement mise en évidence sur la courbe (Figure 4).

Fig. 4 : Courbe de traction d’une peinture à l’huile

Fig. 4 : Courbe de traction d’une peinture à l’huile

Logiciel Nexygen (version 3). Procédure de rupture en traction (40/0640)

Crédit © LARCROA

23La courbe de traction présente 3 zones :

  • Le film de peinture, doté d’un module d’élasticité élevé, impose son comportement. Ce début de courbe est presque linéaire, on est dans le domaine élastique de la peinture.

  • De 1,6 % à 6 % d’allongement, une série de pics apparaît autour de 5 MPa. Ils témoignent de la formation de craquelures. La contrainte à la rupture de la peinture est donnée par la valeur moyenne des pics enregistrés.

  • Ensuite la courbe devient lisse. C’est la toile qui prend le relais en s’étirant. L’augmentation des contraintes progresse entre 6 et 15 % d’allongement régulièrement jusqu’à la rupture de celle-ci.

24Les grandeurs mécaniques du film de peinture et du support sont évaluées par l’analyse de cette courbe.

Essais de fluage

25Le fluage est le phénomène physique. L’essai de fluage consiste à mesurer la déformation d’un matériau soumis à une charge constante en fonction du temps pendant une durée suffisante. Il s’effectue en traction sur une Machine Universelle de Tests (UTM). L’échantillon est fixé entre les deux attaches de la machine de traction. La traverse mobile se déplace jusqu’à la valeur de la charge (N) paramétrée. La durée de l’essai est définie au préalable (Figure 5).

Fig. 5 : Courbe de fluage d’une peinture sur toile de coton

Fig. 5 : Courbe de fluage d’une peinture sur toile de coton

Logiciel Nexygen (version 3). Procédure de fluage (40/0642)

Crédit © LARCROA

26L’essai de fluage permet de déterminer les grandeurs mécaniques suivantes :

  • Déformation élastique (réversible) et le seuil d’élasticité.

  • Déformation différée (viscoélastique). 

  • Déformation permanente.

27Les propriétés élastiques, viscoélastiques ou viscoplastiques de la peinture sont clairement explicitées. Cet essai peut se faire à humidité et température constante ou humidité ou température variables.

Essais de relaxation

28La relaxation est un phénomène physique. L’essai de relaxation consiste à mesurer la diminution des contraintes d’un matériau lorsqu’il est soumis à une déformation constante en fonction du temps.

29L’essai de relaxation s’effectue en traction sur une Machine Universelle de Tests (UTM). L’échantillon est fixé entre les deux attaches de la machine de traction. La traverse mobile se déplace jusqu’à la valeur de la déformation prédéfinie. La durée de l’essai est fixée au préalable (Figure 6).

Fig. 6 : Courbe de relaxation d’une peinture sur toile de coton

Fig. 6 : Courbe de relaxation d’une peinture sur toile de coton

Logiciel Nexygen (version 3). Procédure de relaxation (40/0644)

Crédit © LARCROA

30L’essai de relaxation permet d’évaluer les valeurs suivantes :

  • Chute instantanée de la charge

  • Chute différée de la charge.

  • Temps de relaxation.

31À température et humidité constante, l’essai de relaxation permet d’obtenir le taux de relaxation c’est-à-dire la perte de charge en fonction du temps.

Équivalence temps-température, relation température-humidité, propriétés des matériaux hydrophiles et hydrophobes

32Pour évaluer l’impact du temps, de la température et de l’humidité sur le comportement des peintures, l’analyse des résultats va s’appuyer sur le principe d’équivalence temps/température, la relation température/humidité et les propriétés hydrophiles et hydrophobes des matériaux.

33Le principe d’équivalence temps/température [6] : La variation du module de relaxation obtenue à vitesse de sollicitation constante et températures variables, présente le même profil qu’à température constante et vitesses de sollicitation variables. Dans ce cas l’équivalence temps-température permet de superposer la réponse du matériau en fonction de la température sur une courbe de référence par translation. Les quatre courbes de relaxation d’un même matériau à des températures telles que T1>T2>T3>T4 sont translatées pour former une courbe maîtresse (Figure 7).

Fig. 7 : Courbes de relaxation d’un même matériau à 4 températures. Translation des courbes pour obtenir une courbe maitresse en fonction du temps

Fig. 7 : Courbes de relaxation d’un même matériau à 4 températures. Translation des courbes pour obtenir une courbe maitresse en fonction du temps

John D.Ferry, Op. cit., p.283

Crédit © LARCROA

34Ce principe montre que des grandeurs, telles que les modules d’élasticité et par conséquent les contraintes à la rupture, dépendent de la vitesse de sollicitation et de la température. Autrement dit sous l’effet d’une sollicitation très rapide, le module d’élasticité d’un matériau correspond au module d’élasticité à basse température et inversement.

35Relation température humidité : La pression de vapeur d’eau saturante (S) est une fonction croissante de la température. Ce phénomène est illustré par la courbe de saturation en vapeur d’eau de l’air à différentes températures (Figure 8).

Fig. 8 : Courbe de saturation de l’eau

Fig. 8 : Courbe de saturation de l’eau

Teneur en eau et humidité absolue. Roche. A, Op.cit., 2016, p.47.

Crédit © LARCROA

36Pour une même quantité absolue de vapeur d’eau dans l’air (HA), l’air chaud aura une humidité relative plus basse que dans de l’air froid. L’humidité relative (HR) s’exprime par la relation suivante :

37Les matériaux hydrophiles absorbent une partie de l’humidité de l’air. À l’équilibre, les échanges de molécules d’eau entre les matériaux hydrophiles et l’air sont constants. Les matériaux hydrophiles sont caractérisés par leur –Teneur en Humidité à l’Équilibre (T.H.E.). Cette capacité d’absorber et désorber l’eau est déterminée par l’isotherme d’absorption (Figure 9).

Fig. 9 : Isothermes d’absorption d’eau – papier, cellulose, gélatine

Fig. 9 : Isothermes d’absorption d’eau – papier, cellulose, gélatine

Équilibre hydrique entre air humide et matériaux hydrophiles. Roche A., Op.Cit., 2016, p.51.

Crédit © LARCROA

38Propriétés des matériaux hydrophiles et hydrophobes : Les peintures sont composées de matériaux hydrophiles (toiles, papiers, bois, colles…) et hydrophobes (huile fraîche, résines acryliques, vinyliques, fibres de polyester…). La tendance hydrophile ou hydrophobe de la peinture dépend du rapport de quantité entre ces matériaux. Les propriétés physico-mécaniques des matériaux changent en fonction de la température et de l’humidité selon leur affinité.

39Les matériaux hydrophiles sont sensibles à l’eau. Une forte humidité provoquera un gonflement du matériau et inversement. Les matériaux hydrophobes sont sensibles aux températures. Une élévation de température entraînera une dilatation du matériau et réciproquement. Autrement dit à chaque variation d’humidité ou de température les matériaux subissent des variations de contraintes internes.

40La température de transition vitreuse (Tg) d’un matériau viscoélastique, en variant avec l’humidité, prouve qu’il existe une relation température/humidité. Par association, l’équivalence temps/température pourrait s’appliquer à une relation temps/humidité.

Évaluation de la sensibilité à l’humidité et à la température d’une peinture

41Deux méthodes ont été utilisées pour vérifier l’influence des variations climatiques sur les peintures et pour en évaluer l’importance. Pour illustrer ce propos, la peinture à l’huile sur toile de coton (encollage et préparation vinylique) - « Croisé RBV » datant de 2018 a servi de modèle pour tester les 2 méthodes.

42Le premier dispositif sur UTM (Figure 10) est constitué :

  • Une enceinte climatique en PMMA/polystyrène

  • Un générateur d’humidité programmable. Il permet la production d’un air à humidité contrôlée ou des cycles d’humidité à l’intérieur de l’enceinte.

  • La régulation de la température est obtenue par pulsion d’air chaud et contrôlée par des régulateurs électroniques

  • Les données climatiques sont enregistrées par un datalogger thermohygrométrique placé à l’intérieur de l’enceinte

  • Un ordinateur pour piloter l’UTM et enregistrer les données.

Fig. 10 : 1er dispositif expérimental avec une éprouvette de peinture « Croisé RBV »

Fig. 10 : 1er dispositif expérimental avec une éprouvette de peinture « Croisé RBV »

LLOYD LRX 2500 et enceinte climatique

Crédit © LARCROA

43Cet équipement expérimental permet de réaliser des essais de fluage monoaxial (charge constante) soumis à des cycles d’humidité. L’éprouvette de peinture, maintenue entre les deux attaches de la machine, va jouer le rôle d’une peinture libre. Les cycles d’humidité relative programmés vont provoquer des variations dimensionnelles enregistrées par l’appareil. L’enregistrement des données de la peinture « Croisé RBV » donne le graphe suivant (Figure 11).

Fig.11 : Enregistrement par le 1er dispositif des variations hygrométriques et dimensionnelles de « Croisé RBV »

Fig.11 : Enregistrement par le 1er dispositif des variations hygrométriques et dimensionnelles de « Croisé RBV »

Traitement des données avec le logiciel Origin (vers.VE)

Crédit © LARCROA

44Les variations dimensionnelles - allongements et retraits de l’échantillon - sont synchronisées avec les cycles d’humidité. Par exemple pour un écart d’humidité de plus de 38 %, la variation dimensionnelle de la peinture est d’environ 0,22 %. Autrement dit, une peinture de 1 m de côté aura une variation dimensionnelle de plus de 2 mm. Cette variation est loin d’être négligeable et elle démontre la sensibilité de cette peinture à l’humidité.

45Le deuxième dispositif expérimental, appelé cadre métrologique, est constitué :

  • De la peinture à tester, montée sur un châssis équipé du Système de Tension Auto-Régulée (STAR).

    • 4 LVDT- Linear Variable Differential Tranformer
    • 5 ORBIT- Réseau de mesures numériques.

    D’un cadre métallique réglable sur lequel sont fixés 5 palpeurs de déplacement LVDT4 reliés à un ordinateur via le réseau ORBIT5. La précision des palpeurs de déplacement est de + 0,5µm.

  • D’une petite enceinte climatique reliée au générateur d’humidité programmable pour produire des cycles d’air sec et humide. Un datalogger de T et HR enregistre les données climatiques.

46Les palpeurs s’appuient sur 2 des côtés de la peinture tendue sur le châssis STAR (Figure 12).

Fig. 12 : 2e dispositif, cadre métrologique et peinture à l’huile sur toile de coton, « Croisé RBV »

Fig. 12 : 2e dispositif, cadre métrologique et peinture à l’huile sur toile de coton, « Croisé RBV »

Dispositif expérimental développé par LARCROA

Crédit © LARCROA

47La peinture « Croisé RBV », tendue sur le châssis à tension autorégulée, a été testée. Cette méthode expérimentale permet de déterminer les variations biaxiales d’allongements/retraits de la peinture. Elle prend en compte les forces de frottement liées à la tension de la peinture sur le châssis. Les données enregistrées se présentent sous la forme d’un graphe (Figure 13).

Fig. 13 : Enregistrement par le 2e dispositif des variations hygrométriques et dimensionnelles de la peinture « Croisé RBV »

Fig. 13 : Enregistrement par le 2e dispositif des variations hygrométriques et dimensionnelles de la peinture « Croisé RBV »

Traitement des données avec le logiciel Origin (vers.VE)

Crédit © LARCROA

48L’analyse des données donne également accès à l’évaluation de la sensibilité à l’humidité de la peinture « Croisé RBV ». Par exemple pour un écart d’humidité relative d’environ 30 % les variations dimensionnelles de la peinture sont de 0,24 % en chaîne et de 0,04 % en trame.

49Ces 2 essais montrent que les variations hygrométriques ont une incidence importante sur le comportement des peintures.

Diagramme de sensibilité à l’humidité et à la température

50La construction d’un diagramme de sensibilité est faite à l’aide du premier dispositif expérimental. Le diagramme est obtenu en suivant le protocole que nous avons mis au point. Il comprend 3 étapes (Figure 14) :

  • Quand l’humidité est stabilisée à 30 % HR, l’essai de relaxation est initié. Une charge de 25N est appliquée à l’éprouvette.

  • Les contraintes dans l’échantillon se relaxent pour atteindre une valeur constante.

  • Modification des conditions climatiques. : Humidité : le générateur est programmé pour augmenter progressivement l’humidité de 30 % à 90 %. La température est maintenue constante à environ 20°C. Température : un régulateur de température déclenche ou arrête le fonctionnement d’un ventilateur d’air chaud intégré dans l’enceinte. Consigné à 60°C la température atteindra graduellement cette température alors que l’humidité est maintenue à 30 % HR. Les variations de force exercées par l’échantillon sont enregistrées pendant les changements d’humidité ou de température toutes les 10 secondes.

  • 6 Microsoft Excel- tableur
  • 7 Microcal – Origin- Data analysis and Technical Graphics

51Ensuite, les données climatiques et mécaniques enregistrées sont récupérées et traitées sur les logiciels Excel6 et Origine7 pour produire un diagramme de sensibilité à l’humidité ou à la température.

Fig.14: Protocole d’essai en 3 étapes

Fig.14: Protocole d’essai en 3 étapes

Représentation graphique des 3 étapes du protocole d’essai

Crédit © LARCROA

Modélisation mathématique du comportement d’une peinture

52Les mesures expérimentales obtenues avec l’UTM donnent une série de points expérimentaux. Le polynôme de régression est une fonction dont le graphe approche au mieux chacun des points expérimentaux pour former une courbe. Elle est obtenue par une analyse statistique qui décrit une variation de la variable aléatoire HR ou T que l’on appelle la régression polynomiale (Figure 15).

Fig. 15 : construction d’un diagramme de sensibilité

Fig. 15 : construction d’un diagramme de sensibilité

Traitement des données avec le logiciel Origin 2015 (vers.VE).

Crédit © LARCROA

53Le diagramme de sensibilité est une courbe décrite mathématiquement par une fonction polynomiale du 4e degré.

54Ce diagramme représente la sensibilité de la peinture à l’humidité ou à la température.

Fatigue mécanique et endurance du film de peinture Vminit

55La fatigue mécanique peut être la conséquence des variations de contraintes provoquées par des cycles d’humidité. Elle se traduit par l’alternance de

  • contraintes maximum (chute d’HR)

  • contraintes minimum (élévation d’HR)

56La variation de contrainte s’exprime par la différence entre la contrainte maximum et minimum, qui oscille autour d’une contrainte moyenne.

57Dans une peinture sur toile tendue sur châssis les variations de contraintes provoquées par des cycles climatiques, sont équivalentes à des variations de tension (Figure 16).

Fig. 16 : Courbe des variations de tension induites par des cycles d’humidité

Fig. 16 : Courbe des variations de tension induites par des cycles d’humidité

Traitement des données avec le logiciel Origin 2015 (vers.VE).

Crédit © LARCROA

58En fatigue dynamique un matériau peut se rompre sous l’effet d’une variation cyclique de contraintes bien inférieure à la contrainte de rupture.

59En résistance des matériaux, différentes théories ont vu le jour pour déterminer en fatigue mécanique, la limite d’endurance (σD) des matériaux. Les métaux et certains plastiques ont fait l’objet de nombreuses recherches dans ce domaine. Concernant la limite d’endurance des couches de peinture, à notre connaissance aucune étude sur ce sujet n’a été publiée. Nos recherches sont basées principalement sur les travaux de Griffith A, Irwin G. et Wöhler A qui ont apporté des solutions à des problèmes structuraux.

60Toutefois les peintures d’art sur toile tendue sur châssis subissent continuellement des variations de tension provoquées par l’instabilité climatique et les vibrations. L’évaluation de la limite d’endurance d’un film de peinture est une caractéristique mécanique essentielle pour estimer ou évaluer les risques de dégradation mécanique des peintures artistiques.

61Les propriétés mécaniques d’une peinture, constituée d’une matrice polymérique, de particules ou défauts rigides sont liées à leur structure à l’échelle microscopique. Lors d’une variation de tension, le film de polymère et les particules ou défauts ne réagissent pas de la même manière. Cette hétérogénéité liants/particules ou défauts crée des zones de concentrations de contraintes qui sont caractérisées par le facteur de concentration de contraintes Kt. Si on admet que la limite d’endurance d’une peinture σDp est liée à la fois à la contrainte à la rupture du film de polymère et au facteur de concentration de contraintes, on peut l’exprimer comme rapport entre la σrupt et Kt.

  • 8 FEA-Finite element analysis, FEM, Finite element Method.

62La méthode d’analyse numérique par éléments finis (FEA)8 a servi à démontrer que Kt = 100 [8] répond le mieux aux conditions de conservation d’une peinture. En l’intégrant dans l’expression de la limite d’endurance, l’expression est directement proportionnelle à la contrainte à la rupture d’un film de peinture.

63Cette proposition donne une bonne approximation de la limite d’endurance. Les peintures étant des objets complexes et hétérogènes, la valeur est suffisamment explicite et juste pour l’intégrer dans les calculs d’évaluations des risques de dégradation.

64Dans le domaine de la peinture, la limite d’endurance se définit aussi par la variation minimum de tensions Vmini t.

65ou e est l’épaisseur du film de peinture. Plus la Vminit est élevée plus la peinture pourra résister à des cycles de variations d’humidité ou de température.

Degré de vulnérabilité d’une peinture

66Le degré de vulnérabilité d’une peinture est une notion qui implique 2 propriétés physico-mécaniques ;

  • La fragilité : Elle est définie par la contrainte à la rupture du film de peinture, c’est-à-dire sa résistance en traction. Plus elle est faible plus sa fragilité est élevée.

  • La sensibilité : Elle est déterminée par la variation minimum de tension Vminit, c’est-à-dire sa capacité à supporter des cycles de variations de tension induits par des fluctuations climatiques. Plus la Vminit est petite plus sa sensibilité à HR ou T est importante.

67À partir de ces deux propriétés, une représentation graphique du degré de vulnérabilité d’une peinture peut-être construite. En repérant la valeur de contrainte à la rupture σrupt et la variation minimale de tension Vminit, sur le graphe, sa position permettra d’évaluer le degré de vulnérabilité de la peinture (Figure 17).

Fig. 17 : Représentation des degrés de vulnérabilité de cinq peintures

Fig. 17 : Représentation des degrés de vulnérabilité de cinq peintures

Représentation graphique du degré de vulnérabilité

Crédit © LARCROA

68Dans l’exemple de la figure 17, cinq peintures ont été positionnées sur le graphe. De leur position on peut en déduire :

  • P1 : très fragile et sensible au climat –très vulnérable

  • P2 : fragile et sensible au climat –vulnérable

  • P5 : très sensible au climat et moyennement fragile – vulnérable

  • P4 : moyennement fragile et peu sensible au climat- peu vulnérable

  • P3 : peu fragile et peu sensible au climat - résistante

69Un classement par degré de vulnérabilité des peintures permet aux responsables de collection de prendre des mesures adaptées au cas par cas. Lors d’un prêt, d’une exposition ou toute autre opération impliquant des œuvres, des mesures de conservation plus strictes pourraient être appliquées selon les cas. Dans cet exemple des mesures de conservation plus strictes devraient être appliquées aux peintures P1, P2, P5 plutôt qu’aux peintures P3 et P4.

Évaluation des risques de dégradation mécaniques des peintures

70L’utilisation de la fonction polynomiale issue de la modélisation mathématique du comportement des peintures permet de transformer les données climatiques, humidité et température, en données mécaniques, telle que la tension. La limite d’endurance en fatigue mécanique, représentée par la variation minimale de tension, va déterminer la zone de tolérance de la peinture à l’intérieur de laquelle aucun risque de dégradation mécanique n’est possible.

71Ainsi en partant de ces données, un module de calcul permet d’évaluer les risques encourus par une peinture lorsqu’elle est soumise pendant un transport ou une exposition à un environnement plus ou moins stable. Les résultats de l’analyse des données par le calcul sont regroupés dans les différentes fenêtres du tableau de bord (Figure 18).

Fig. 18 : Tableau de bord du module de calcul « indicateur de risques »

Fig. 18 : Tableau de bord du module de calcul « indicateur de risques »

Tableau de bord du module de calcule sur Excel

Crédit © LARCROA

72Les risques peuvent être pondérés en fonction du temps – durée d’une exposition, temps de transport, etc. Cet outil d’évaluation des risques prend en compte les caractéristiques physiques et mécaniques des peintures et les conditions climatiques de l’environnement de l’œuvre.

Conclusion

73L’exploitation des résultats des essais mécaniques, obtenus avec des dispositifs et des protocoles expérimentaux spécifiques, conduit à une meilleure connaissance des propriétés physico- mécaniques des peintures.

74Ces résultats ont ouvert des horizons vers la création de nouvelles solutions. Ces Outils d’Évaluation (OE) sont complémentaires aux Outils d’Aide à la Décision (OAD). Les OE ne sont pas élaborés, comme la plupart des OAD d’algorithmes, mais ils reposent sur des modules de calcul qui intègrent les propriétés physiques et mécaniques des peintures. Ces outils opérationnels donnent aux responsables de collections de multiples possibilités d’organisation de leurs collections en tenant compte du contenu et de l’environnement.

75Il lui est possible d’envisager aussi une programmation plus sécurisée des prêts pour exposition ou pour des évènements, d’être attentif aux œuvres classées vulnérables et de les soumettre à des contrôles plus fréquents.

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Bibliography

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ROCHE, A., La conservation des peintures modernes et contemporaines, CNRS Éditions, 2016.

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Notes

1 MECKLENBURG, M.F., Micro Climates and Moisture Induced Damage to Paintings. Smithsonian Museum Conservation Institute Washington, D.C., Copenhagen, November. 19-23, 2007, p.19-25 ; BRATASZ, L, AKOGLU, K.G., KÉKICHEFF, P., Fracture saturation in paintings makes them less vulnerable to environmental variations in museums, Heritage Science, 2020; LIGTERINK F.J, DI PIETRO, G., : Canvas paintings on cold walls: relative humidity differences near the stretcher, Copenhagen 2007, p. 27-38.

2 BICHLMAIR, S., HOLL, K., AND KILIAN, R., "The moving fluctuation range – a new analytical method for evaluation of climate fluctuations in historic buildings", Climate for collections standards and uncertainties, Munich, 2012, p.439–450.

3 A. ROCHE, La conservation des peintures modernes et contemporaines, CNRS Editions 2016 p. 20-21.

4 LVDT- Linear Variable Differential Tranformer

5 ORBIT- Réseau de mesures numériques.

6 Microsoft Excel- tableur

7 Microcal – Origin- Data analysis and Technical Graphics

8 FEA-Finite element analysis, FEM, Finite element Method.

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List of illustrations

Title Fig.1: Surfaces exposées d’un objet 3D et 2D
Caption Représentation en 3D et 2D d’objets
Credits Crédit © LARCROA
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Title Fig.2 : Machine Universelle de Tests (UTM)
Caption LLYORD LRX 2500
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Title Fig. 3 : Courbe de traction d’une peinture Liquitex® sur non-tissé encollé de Plextol® B 500, d’un non-tissé encollé de Plextol® B 500 et la courbe théorique du Liquitex®
Caption Logiciel NEXYGEN (version 3). Procédure de rupture en traction (40/060)
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Title Fig. 4 : Courbe de traction d’une peinture à l’huile
Caption Logiciel Nexygen (version 3). Procédure de rupture en traction (40/0640)
Credits Crédit © LARCROA
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Title Fig. 5 : Courbe de fluage d’une peinture sur toile de coton
Caption Logiciel Nexygen (version 3). Procédure de fluage (40/0642)
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Title Fig. 6 : Courbe de relaxation d’une peinture sur toile de coton
Caption Logiciel Nexygen (version 3). Procédure de relaxation (40/0644)
Credits Crédit © LARCROA
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File image/jpeg, 125k
Title Fig. 7 : Courbes de relaxation d’un même matériau à 4 températures. Translation des courbes pour obtenir une courbe maitresse en fonction du temps
Caption John D.Ferry, Op. cit., p.283
URL http://journals.openedition.org/ceroart/docannexe/image/7003/img-7.jpg
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Title Fig. 8 : Courbe de saturation de l’eau
Caption Teneur en eau et humidité absolue. Roche. A, Op.cit., 2016, p.47.
Credits Crédit © LARCROA
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File image/jpeg, 130k
URL http://journals.openedition.org/ceroart/docannexe/image/7003/img-9.png
File image/png, 4.9k
Title Fig. 9 : Isothermes d’absorption d’eau – papier, cellulose, gélatine
Caption Équilibre hydrique entre air humide et matériaux hydrophiles. Roche A., Op.Cit., 2016, p.51.
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Title Fig. 10 : 1er dispositif expérimental avec une éprouvette de peinture « Croisé RBV »
Caption LLOYD LRX 2500 et enceinte climatique
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Title Fig.11 : Enregistrement par le 1er dispositif des variations hygrométriques et dimensionnelles de « Croisé RBV »
Caption Traitement des données avec le logiciel Origin (vers.VE)
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Title Fig. 12 : 2e dispositif, cadre métrologique et peinture à l’huile sur toile de coton, « Croisé RBV »
Caption Dispositif expérimental développé par LARCROA
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Title Fig. 13 : Enregistrement par le 2e dispositif des variations hygrométriques et dimensionnelles de la peinture « Croisé RBV »
Caption Traitement des données avec le logiciel Origin (vers.VE)
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File image/jpeg, 223k
Title Fig.14: Protocole d’essai en 3 étapes
Caption Représentation graphique des 3 étapes du protocole d’essai
Credits Crédit © LARCROA
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File image/jpeg, 89k
Title Fig. 15 : construction d’un diagramme de sensibilité
Caption Traitement des données avec le logiciel Origin 2015 (vers.VE).
Credits Crédit © LARCROA
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URL http://journals.openedition.org/ceroart/docannexe/image/7003/img-17.png
File image/png, 7.4k
Title Fig. 16 : Courbe des variations de tension induites par des cycles d’humidité
Caption Traitement des données avec le logiciel Origin 2015 (vers.VE).
Credits Crédit © LARCROA
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URL http://journals.openedition.org/ceroart/docannexe/image/7003/img-21.png
File image/png, 2.4k
Title Fig. 17 : Représentation des degrés de vulnérabilité de cinq peintures
Caption Représentation graphique du degré de vulnérabilité
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Title Fig. 18 : Tableau de bord du module de calcul « indicateur de risques »
Caption Tableau de bord du module de calcule sur Excel
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References

Electronic reference

Alain Roche, “Apports des essais mécaniques : Évaluation de la vulnérabilité et des risques de dégradation des peintures.”CeROArt [Online], 12 | 2020, Online since 15 January 2021, connection on 09 March 2021. URL: http://journals.openedition.org/ceroart/7003; DOI: https://doi.org/10.4000/ceroart.7003

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About the author

Alain Roche

Alain Roche est diplômé de l’Institut Français de Restauration des Œuvres d’Art (IFROA/INP) et ingénieur au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM). Pensionnaire à la villa Médicis à Rome. Conservateur restaurateur pour le C2RMF et les MH. Enseignant INP Université Paris 1. Fondateur du LARCROA en 1995. Auteur de trente-cinq articles et publication de trois livres dont le dernier, publié en juin 2016 aux éditions du CNRS. Nommé « Chevalier des arts et des lettres ».

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