Il y a rarement le temps d’écrire sur chaque histoire scientifique cool qui se présente à nous. Cette année encore, nous publions une série spéciale d’articles sur les Douze jours de Noël, mettant en lumière une histoire scientifique qui est passée entre les mailles du filet en 2020, chaque jour du 25 décembre au 5 janvier. Aujourd’hui: la tombe d’une noble romaine met en lumière les secrets du béton ancien.

Parmi les nombreux sites touristiques populaires de Rome se trouve un impressionnant mausolée vieux de 2 000 ans le long de la Via Appia, connu sous le nom de Tombe de Caecilia Metella, une femme noble qui a vécu au premier siècle de notre ère. Lord Byron était parmi ceux qui s’émerveillaient de la structure, y faisant même référence dans son poème épique Pèlerinage de Childe Harold (1812-1818). Maintenant, les scientifiques ont analysé des échantillons de l’ancien béton utilisé pour construire la tombe, décrivant leurs découvertes dans un article publié en octobre dans le Journal of the American Ceramic Society.

« La construction de ce monument et point de repère très innovant et robuste sur la Via Appia Antica indique que [Caecilia Metella] a été tenu en haute estime , » a déclaré la co-auteure Marie Jackson, géophysicien à l’ Université de l’Utah. « Et le tissu de béton 2 050 ans plus tard reflète une présence forte et résiliente. »

Comme celui d’aujourd’hui Ciment Portland (un ingrédient de base du béton moderne), ancien Béton romain 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, du frêne, 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, ce qui permet d’obtenir une surface lisse et plane. Mais l’agrégat utilisé pour fabriquer le béton romain était constitué de morceaux de pierre ou de briques de la taille d’un poing.

Dans son traité de Architectura (vers 30 de notre ère), 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, soit en « pierre rouge équarrie, soit en brique ou en lave posée dans des cours ». L’agrégat de brique ou de roche volcanique doit être lié avec du mortier composé de chaux hydratée et de fragments poreux de verre et de cristaux provenant d’éruptions volcaniques (connues sous le nom de téphra volcanique).

Jackson étudie les propriétés inhabituelles du béton romain antique depuis de nombreuses années. Par exemple, elle et plusieurs collègues ont analysé le mortier utilisé dans le béton qui constitue le Marchés de Trajan, construit entre 100 et 110 de notre ère (probablement le plus ancien centre commercial du monde). Ils se sont particulièrement intéressés à la « colle » utilisée dans la phase de liaison du matériau : un hydrate de calcium-aluminium-silicate (C-A-S-H), complété par des cristaux de stratlingite. Ils ont constaté que les cristaux de stratlingite bloquaient la formation et la propagation de microfissures dans le mortier, ce qui aurait pu entraîner de plus grandes fractures dans les structures.

En 2017, Jackson a co-écrit un papier analyser le béton des ruines des digues le long de la côte méditerranéenne de l’Italie, qui se dressent depuis deux millénaires malgré l’environnement marin rude. Les vagues constantes d’eau salée qui s’écrasent contre les murs auraient depuis longtemps réduit les murs de béton modernes en décombres, mais les digues romaines semblent en fait être devenues plus fortes.

Jackson et ses collègues ont découvert que le secret de cette longévité était une recette spéciale, impliquant une combinaison de cristaux rares et d’un minéral poreux. Plus précisément, l’exposition à l’eau de mer a généré des réactions chimiques à l’intérieur du béton, provoquant la formation de cristaux de tobermorite d’aluminium à partir de la phillipsite, un minéral commun présent dans les cendres volcaniques. Les cristaux liés aux rochers, encore une fois prévénementiel la formation et la propagation de fissures qui auraient autrement affaibli les structures.

C’est donc naturellement que Jackson a été intrigué par le tombeau de Caecilia Metella, largement considéré comme l’un des monuments les mieux conservés de la voie Appienne. Jackson a visité la tombe en juin 2006, lorsqu’elle a prélevé de petits échantillons de mortier pour analyse. Bien que le jour de sa visite ait été assez chaud, elle s’est souvenue qu’une fois à l’intérieur du couloir sépulcral, l’air était très frais et humide. « L’atmosphère était très tranquille, à l’exception du flottement des pigeons au centre ouvert de la structure circulaire », Jackson a dit.