Le célèbre Panthéon de Rome possède le plus grand dôme en béton non armé au monde, une merveille architecturale qui perdure depuis des millénaires, grâce à l’incroyable durabilité du béton romain antique. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de déterminer précisément ce qui rend le matériau si durable. Une nouvelle analyse d’échantillons prélevés sur les murs de béton du site archéologique de Privernum près de Rome a permis de mieux comprendre ces secrets de fabrication insaisissables. Il semble que les Romains aient utilisé le « mélange à chaud » avec de la chaux vive, entre autres stratégies, qui a donné au matériau une fonctionnalité d’auto-guérison, selon un nouvel article publié dans la revue Science Advances.
Comme nous l’avons signalé précédemment, comme le ciment Portland d’aujourd’hui (un ingrédient de base du béton moderne), le béton romain antique était essentiellement un mélange d’un mortier semi-liquide et d’un agrégat. Le ciment Portland est généralement fabriqué en chauffant du calcaire et de l’argile (ainsi que du grès, de la cendre, de la craie et du fer) dans un four. Le clinker résultant est ensuite broyé en une poudre fine, avec juste une touche de gypse ajouté, pour mieux obtenir une surface lisse et plane. Mais l’agrégat utilisé pour fabriquer le béton romain était composé de morceaux de pierre ou de briques de la taille d’un poing.
Dans son traité De l’architecture (vers 30 CE), l’architecte et ingénieur romain Vitruve a écrit sur la façon de construire des murs en béton pour des structures funéraires qui pourraient durer longtemps sans tomber en ruines. Il a recommandé que les murs aient au moins deux pieds d’épaisseur, faits soit de « pierre rouge équarrie, soit de brique ou de lave posée en assises ». L’agrégat de brique ou de roche volcanique doit être lié avec un mortier composé de chaux hydratée et de fragments poreux de verre et de cristaux d’éruptions volcaniques (connus sous le nom de téphra volcanique).
Admir Masic, ingénieur en environnement au MIT, a étudié le béton romain antique pendant plusieurs années. Par exemple, en 2019, Masic et deux collègues (Janille Maragh du MIT et James Weaver de Harvard) ont lancé un nouvel ensemble d’outils pour analyser des échantillons de béton romains de Privernum à plusieurs échelles de longueur, notamment la spectroscopie Raman pour le profilage chimique et la dispersion d’énergie multi-détecteurs. spectroscopie (EDS) pour la cartographie de phase du matériau.
Masic était également co-auteur d’une étude de 2021 analysant des échantillons de l’ancien béton utilisé pour construire un mausolée vieux de 2000 ans le long de la voie Appienne à Rome, connu sous le nom de tombeau de Caecilia Metella, une femme noble qui a vécu au premier siècle de notre ère. . Il est largement considéré comme l’un des monuments les mieux conservés de la voie Appienne. Ils ont utilisé la source de lumière avancée pour identifier les nombreux minéraux différents contenus dans les échantillons et leur orientation, ainsi que la microscopie électronique à balayage.
Ils ont découvert que le mortier de la tombe ressemblait aux murs des Halles de Trajan : du téphra volcanique de la coulée pyroclastique de Pozzolane Rosse, liant ensemble de gros morceaux de brique et d’agrégats de lave. Cependant, le téphra utilisé dans le mortier de la tombe contenait beaucoup plus de leucite riche en potassium. Le potassium du mortier se dissout à son tour et reconfigure efficacement la phase liante. Certaines parties sont restées intactes après plus de 2 000 ans, tandis que d’autres semblaient plus vaporeuses et montraient des signes de division. En fait, la structure ressemblait quelque peu à des nanocristaux. Ainsi, les zones interfaciales évoluent constamment par remodelage à long terme, renforçant ces zones interfaciales.
Pour cette dernière étude, Masic a voulu examiner de plus près d’étranges morceaux de minéraux blancs connus sous le nom de « clastes de chaux », que d’autres avaient largement rejetés comme résultant de matières premières inférieures à la moyenne ou d’un mauvais mélange. « L’idée que la présence de ces clastes de chaux était simplement attribuée à un contrôle de qualité médiocre m’a toujours dérangé », a déclaré Masic. « Si les Romains ont déployé tant d’efforts pour fabriquer un matériau de construction exceptionnel, en suivant toutes les recettes détaillées qui avaient été optimisées au cours de nombreux siècles, pourquoi auraient-ils déployé si peu d’efforts pour assurer la production d’un produit final bien mélangé ? Il doit y avoir plus à cette histoire. »
On croyait que les Romains combinaient de l’eau avec de la chaux pour faire une pâte hautement réactive chimiquement (extinction), mais cela n’expliquerait pas les clastes de chaux. Masic pensait qu’ils auraient pu utiliser de la chaux vive encore plus réactive (éventuellement en combinaison avec de la chaux éteinte), et ses soupçons ont été confirmés par l’analyse du laboratoire avec des outils de cartographie chimique et d’imagerie à plusieurs échelles. Les clastes étaient différentes formes de carbonate de calcium, et l’analyse spectroscopique a montré que ces clastes s’étaient formés à des températures extrêmement élevées, c’est-à-dire un mélange à chaud.
« Les avantages du mélange à chaud sont doubles », a déclaré Masic. « Premièrement, lorsque l’ensemble du béton est chauffé à des températures élevées, cela permet des chimies qui ne sont pas possibles si vous n’utilisiez que de la chaux éteinte, produisant des composés associés à haute température qui ne se formeraient pas autrement. Deuxièmement, cette température accrue réduit considérablement les temps de durcissement et de prise puisque toutes les réactions sont accélérées, ce qui permet une construction beaucoup plus rapide.
Il semble également conférer des capacités d’auto-guérison. Selon Masic, lorsque des fissures commencent à se former dans le béton, elles sont plus susceptibles de se déplacer à travers les clastes de chaux. Les clastes peuvent alors réagir avec l’eau, produisant une solution saturée de calcium. Cette solution peut soit recristalliser sous forme de carbonate de calcium pour combler les fissures, soit réagir avec les composants pouzzolaniques pour renforcer le matériau composite.
Masique et coll. trouvé des preuves de fissures remplies de calcite dans d’autres échantillons de béton romain, soutenant leur hypothèse. Ils ont également créé des échantillons de béton en laboratoire avec un processus de mélange à chaud, en utilisant des recettes anciennes et modernes, puis ont délibérément fissuré les échantillons et y ont fait couler de l’eau. Ils ont constaté que les fissures dans les échantillons fabriqués avec de la chaux vive mélangée à chaud guérissaient complètement en deux semaines, tandis que les fissures ne guérissaient jamais dans les échantillons sans chaux vive.
DOI : Science Advances, 2022. 10.1126/sciadv.add1602 (À propos des DOI).