Le célèbre Panthéon à Rome possède le plus grand dôme en béton non armé du monde, une merveille architecturale qui dure depuis des millénaires, grâce à l’incroyable durabilité du béton romain antique. Pendant des décennies, les scientifiques ont essayé 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 utilisaient le « mélange à chaud » avec de la chaux vive, entre autres stratégies, qui donnait au matériau une fonctionnalité d’auto-guérison, selon un Nouveau papier publié dans la revue Science Advances.

Comme nous l’avons fait signalés précédemment, 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’agrégats. Le ciment Portland est généralement fabriqué en chauffant du calcaire et de l’argile (ainsi que du grès, des cendres, de la craie et du fer) dans un four. Le clinker obtenu est ensuite broyé en une fine poudre, 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 architectura (vers 30 de notre ère), l’architecte et ingénieur romain Vitruve a écrit sur la façon de construire des murs en béton pour les 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 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).

Admir Masic, ingénieur environnement au MIT, étudie le béton romain antique depuis plusieurs années. Par exemple, en 2019, Masic et deux collègues (Janille Maragh du MIT et James Weaver de Harvard) ont mis au point un nouvel ensemble d’outils permettant d’analyser des échantillons de béton romain de Privernum à plusieurs échelles de longueur, notamment la spectroscopie Raman pour le profilage chimique et la spectroscopie à dispersion d’énergie multi-détecteurs (EDS) pour la cartographie de phase du matériau.

Masic était également co-auteur d’un Étude 2021 analyse d’échantillons de l’ancien béton utilisé pour construire un mausolée vieux de 2 000 ans le long de la voie Appienne à Rome, connu sous le nom de Tombe 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 le Source lumineuse 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 était similaire aux murs du Marchés de Trajan: téphra volcanique de la Pozzolane Rosse Écoulement pyroclastique, liant ensemble de gros morceaux de briques 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 dans le mortier s’est dissous à son tour et a reconfiguré efficacement la phase de liaison. Certaines parties sont restées intactes après plus de 2 000 ans, tandis que d’autres zones semblaient plus sombres et montraient des signes de division. En fait, la structure ressemblait un peu à des nanocristaux. Ainsi, les zones interfaciales évoluent constamment grâce à un 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 de qualité inférieure ou d’un mauvais mélange. « L’idée que la présence de ces clastes de chaux était simplement attribuée à un faible contrôle de la qualité 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 mis si peu d’efforts pour assurer la production d’une finale bien mélangée produit? Il doit y avoir plus dans cette histoire. »

On croyait que les Romains combinaient l’eau avec de la chaux pour former une pâte hautement chimiquement réactive (slaking), mais cela n’expliquerait pas les clastes de chaux. Masic pensait qu’ils auraient pu utiliser la chaux vive encore plus réactive (peut-être en combinaison avec de la chaux éteinte), et ses soupçons ont été dissipés par l’analyse du laboratoire avec la cartographie chimique et les outils d’imagerie multi-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 » Masic a dit. « Tout d’abord, 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 augmentation de la température 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.

Masic et al. ont 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 craqué 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).