Van ijzer en vuur: de metalen van de Notre-Dame door de eeuwen heen

Onderzoek van de afgelopen twintig jaar heeft aangetoond dat de gotische kathedralen van de XNUMXe^e eeuw, zoals Bourges, Chartres, Rouaan of Troyes ijzer als bouwmateriaal gebruikt. De grote kerken van de twaalfde^e eeuw relatief onbekend blijven.

De brand van de Notre-Dame de Paris onthulde dat de structuur van de kathedraal, gebouwd vanaf de jaren 1160, ook was versterkt met tal van ijzeren frames. Sommigen van hen, verborgen in de steen of door het raamwerk, waren tot nu toe onbekend.

De methodieken die in de loop van meer dan twintig jaar zijn ontwikkeld en al getest op tientallen middeleeuwse gebouwen maken het mogelijk om de ijzerconstructies die in de Notre-Dame zijn ontdekt in twijfel te trekken om onze kennis van dit gebouw en oude constructietechnieken te vernieuwen, maar ook die van de economie van ijzer in de middeleeuwen.

Enkele tientallen ijzeren fittingen, beschadigd door de brand of verwijderd tijdens restauraties, kunnen nu onder het oog van optische en elektronische microscopen worden bekeken. Dit zijn zowel "nietjes" die zijn aangebracht in het metselwerk, in de tribunes, in de monolithische kolommen en aan de bovenkant van de muren onder het verbrande frame, maar ook versterkingen die aan het frame zelf zijn gekoppeld (spijkers van verschillende groottes, vastgemaakt en vastgeschroefd staven) die getuigen van restauraties door de eeuwen heen.

De microstructuren van deze metalen elementen bevatten een deel van de geschiedenis van de Notre-Dame de Paris en haar site, die vandaag worden onderzocht door archeologen, chemici en archeometers - specialisten in de fysisch-chemische analyse van oude materialen, verzameld in de Metaalwerkgroep du Wetenschappelijke site Notre-Dame.

Welke metalen voor kathedraalbouwers?

De eerste vraag is die van de kwaliteit van het metaal dat door de bouwers wordt gebruikt. Welke keuzes maakten ze zowel in de middeleeuwen als tijdens de restauraties? Heeft het vuur de eigenschappen van deze bouwijzers veranderd? Observatie van gepolijste oppervlakken onder een optische microscoop, na etsen met specifieke chemische reagentia, onthult de microstructuur van deze ferrolegeringen, hun vormgeving (vouwen, lassen, enz.) en beoordeelt hun mate van heterogeniteit.

Oude ijzers zijn inderdaad vaak heterogeen, in verband met de gebruikte productieprocessen, met name lage ovens, die de productie van ijzer in de vloeibare fase vóór het midden van de XNUMXe eeuw niet mogelijk maken.^e eeuw. Ze bevatten met name verschillende niveaus van koolstof of fosfor (de twee belangrijkste elementen die met ijzer worden gecombineerd), waardoor composietmaterialen worden gevormd tussen ijzer, zacht staal en fosforijzer.

Hardheidstests kunnen worden uitgevoerd om hun respectievelijke hardheden te achterhalen. Deze oude ijzers bevatten ook veel niet-metalen onzuiverheden, "slakinsluitingen" genoemd, die allemaal zwakke punten zijn in de structuur van het materiaal.

Van monsters van hele objecten is het mogelijk om te machinaal trekproeven, dwz onderdelen van standaardfabricage en afmetingen, om ze aan mechanische tests te onderwerpen en de fysieke eigenschappen van deze materialen te bepalen (elastische modulus, treksterkte, rek bij breuk, enz.). In de Notre-Dame hebben analyses aangetoond dat middeleeuws ijzer, zoals dat in de XNUMXe eeuw werd gebruikt,^e eeuw, heeft lagere mechanische eigenschappen dan die van hedendaagse legeringen, zoals wat al is vastgesteld op andere middeleeuwse en moderne monumenten.

Het vuur lijkt echter de microstructuur van het ijzer of de toch al beperkte mechanische eigenschappen niet te hebben veranderd. Deze informatie kan worden gebruikt voor restauratie en brandstofreflecties op het hergebruik van deze materialen.

De bouwtijdlijn beter begrijpen

De tweede vraag betreft de chronologie van de doorgevoerde versterkingen.

De kleine hoeveelheden koolstof die aanwezig zijn in de staalachtige zones van deze ferrolegeringen (staal is een ijzer-koolstoflegering) bieden toegang tot cruciale data op het gebied van datering. We weten het vandaag extraheer die koolstof, die afkomstig is van de steenkool die werd gebruikt in de reductieoven die het ijzer produceerde, om een ​​koolstof-14-datering uit te voeren.

De staalachtige zones die door de metallografische aanval worden onthuld, worden verwijderd met een boormachine, vervolgens wordt de koolstof door verbranding gewonnen en in gasvorm teruggewonnen (CO₂) en uiteindelijk gereduceerd tot grafiet. Massaspectrometrie met deeltjesversneller (AMS) uitgevoerd in de LMC14 maakt het dan mogelijk om de resterende hoeveelheid koolstof-14 te bepalen en te vergelijken met de referentiecurven om de ouderdom van het materiaal te bepalen en de periode van ijzerproductie af te leiden.

Deze techniek, die nog geen tien jaar geleden is ontwikkeld tot op heden oude ijzerlegeringen, maakt het mogelijk om: onderscheid maken tussen hedendaagse verstevigingen van de constructie en die welke achteraf zijn toegevoegd als consolidaties.

Bijvoorbeeld de vergelijking van de datering van de nietjes geplaatst in de galerijen van het koor (gebouwd rond 1160-1170), die van het schip, later, en die aan de top van de hoge muren aan het begin van de XNUMXe^e eeuw, zal ook licht werpen op de geleidelijke toevoeging van dit materiaal in gebouwen en de gedachten reconstrueren van de bouwers die het gebruikten.

Evenzo zal in de lijst, die vele malen is herwerkt en waar meerdere frames worden gebruikt, de datering het mogelijk maken om de restauratiefasen van vóór de XNUMXe eeuw te benadrukken.^e eeuw, nog totaal onbekend, door deze informatie te kruisen met de parallel uitgevoerde studie van hout.

Waar komt het ijzer van de Notre-Dame vandaan?

De derde vraag betreft de herkomst van deze materialen. Waar werden deze tonnen ijzer geproduceerd? Hoe werd de bouwplaats in de twaalfde van metaal voorzien^e eeuw, in de XNUMXe^e eeuw en voor daaropvolgende campagnes; in welke vormen circuleerden deze strijkijzers? ?

We weten dat ijzer in de middeleeuwen in beide richtingen over de Seine circuleerde en ook over land kon worden geleverd; het zou kunnen zijn geproduceerd door domeinen van het bisdom of het kathedraalkapittel (het college van kanunniken dat verantwoordelijk is voor het beheer van het gebouw), en met name in de vele domeinen die zich in het huidige Île-de-France bevinden.

Het is ook niet ongewoon voor verschillende bronnen, lokaal en verder weg, worden tijdens bouwcampagnes door elkaar gehaald. De lassen die in de ijzeren matrix van de Notre-Dame zijn waargenomen, suggereren de assemblage van verschillende onderdelen om elk nietje te maken, waarvan de oorsprong kan verschillen. De onzuiverheden in deze ijzerlegeringen maken het mogelijk om deze kwestie van de circulatie van deze materialen te benaderen.

In de oude productieprocessen in lage ovens, voornamelijk gebruikt tot het einde van de Middeleeuwen, draagt ​​het ijzer, geproduceerd in de vaste toestand, in zijn matrix kleine fragmenten slak (het afval van de reductie), insluitselslak genaamd, de samenstelling daarvan hangt af van de niet-gereduceerde fractie van het gebruikte erts.

De chemische analyse van deze insluitsels, uitgevoerd door massaspectrometrie in combinatie met een laserablatiemodule, die de analyse van volumes met een diameter tussen 30 en 100 micrometer mogelijk maakt, biedt toegang tot hun sporenelementensamenstelling.

Deze samenstelling kan worden vergeleken statistische hulpmiddelen gebruiken tot die van de macroslak die door de metallurgen op de productielocaties wordt afgestoten.

Er moet dus parallel een uitgebreid archeologisch onderzoek worden uitgevoerd, in voortbouwen op bestaande bevindingen in de regio, om de slakkenlocaties te identificeren die dit ijzer mogelijk hebben geleverd en om de analyses uit te voeren die nodig zijn om deze vergelijkingen van chemische handtekeningen te maken.

Het onderzoek is nog maar net begonnen.

Maxime L'Héritier, Docent middeleeuwse geschiedenis, Universiteit van Parijs 8 – Vincennes Saint-Denis

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder Creative Commons-licentie. Lees deorigineel artikel.

Afbeelding tegoed: Shutterstock.com / godongphoto / kathedraal Notre-Dame de Paris na de brand, Frankrijk, 30 juni 2019