Les anciens Romains étaient des maîtres bâtisseurs et des ingénieurs, peut-être plus célèbres représentés par les aqueducs encore fonctionnels. Et ces merveilles architecturales reposent sur un matériau de construction unique : le béton pouzzolanique, un matériau d’une durabilité spectaculaire qui a donné aux structures romaines leur incroyable force.
Aujourd’hui encore, l’une de leurs structures – le Panthéon, toujours intact et vieux de près de 2 000 ans – détient le record du plus grand dôme en béton non armé au monde.
Les propriétés de ce béton ont généralement été attribuées à ses ingrédients : la pouzzolane, un mélange de cendres volcaniques – du nom de la ville italienne de Pozzuoli, où on en trouve un gisement important – et de chaux. Lorsqu’ils sont mélangés avec de l’eau, les deux matériaux peuvent réagir pour produire un béton solide.
Mais cela, en fin de compte, n’est pas toute l’histoire. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a découvert que non seulement les matériaux sont légèrement différents de ce que nous aurions pu penser, mais que les techniques utilisées pour les mélanger étaient également différentes.
Les pistolets fumants étaient de petits morceaux blancs de chaux que l’on peut trouver dans ce qui semble être du béton par ailleurs bien mélangé. La présence de ces morceaux avait auparavant été attribuée à un mauvais mélange ou à des matériaux, mais cela n’avait aucun sens pour le scientifique des matériaux Admir Masic du MIT.
“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 dans un communiqué de janvier 2023.
“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.”
Masic et l’équipe, dirigée par l’ingénieur civil du MIT Linda Seymour, ont soigneusement étudié des échantillons de béton romain vieux de 2 000 ans provenant du site archéologique de Privernum en Italie. Ces échantillons ont été soumis à une microscopie électronique à balayage de grande surface et à une spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie, à une diffraction des rayons X sur poudre et à une imagerie Raman confocale pour mieux comprendre les clastes de chaux.
L’une des questions à l’esprit était la nature de la chaux utilisée. La compréhension standard du béton pouzzolanique est qu’il utilise de la chaux éteinte. Tout d’abord, le calcaire est chauffé à haute température pour produire une poudre caustique hautement réactive appelée chaux vive ou oxyde de calcium.
Le mélange de chaux vive avec de l’eau produit de la chaux éteinte, ou hydroxyde de calcium : une pâte un peu moins réactive et moins caustique. Selon la théorie, c’est cette chaux éteinte que les anciens Romains mélangeaient à la pouzzolane.
Sur la base de l’analyse de l’équipe, les clastes de chaux dans leurs échantillons ne sont pas compatibles avec cette méthode. Au contraire, le béton romain a probablement été fabriqué en mélangeant la chaux vive directement avec la pouzzolane et de l’eau à des températures extrêmement élevées, seul ou en plus de la chaux éteinte, un processus que l’équipe appelle “mélange à chaud” qui entraîne des clastes de chaux.
“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 le durcissement et la prise. fois puisque toutes les réactions sont accélérées, permettant une construction beaucoup plus rapide.”
Et cela a un autre avantage : les clastes de chaux confèrent au béton des capacités d’auto-guérison remarquables.
Lorsque des fissures se forment dans le béton, elles se déplacent préférentiellement vers les clastes de chaux, qui ont une surface plus élevée que les autres particules de la matrice. Lorsque l’eau pénètre dans la fissure, elle réagit avec la chaux pour former une solution riche en calcium qui sèche et durcit sous forme de carbonate de calcium, recollant la fissure et l’empêchant de se propager davantage.
Cela a été observé dans le béton d’un autre site vieux de 2 000 ans, la tombe de Caecilia Metella, où des fissures dans le béton ont été remplies de calcite. Cela pourrait également expliquer pourquoi le béton romain des digues construites il y a 2 000 ans a survécu intact pendant des millénaires malgré les coups constants de l’océan.
Ainsi, l’équipe a testé ses découvertes en fabriquant du béton pouzzolanique à partir de recettes anciennes et modernes utilisant de la chaux vive. Ils ont également réalisé un béton témoin sans chaux vive et effectué des tests de fissures. Effectivement, le béton de chaux vive fissuré a été complètement cicatrisé en deux semaines, mais le béton témoin est resté fissuré.
L’équipe travaille maintenant sur la commercialisation de leur béton comme une alternative plus écologique aux bétons actuels.
“C’est excitant de penser à la façon dont ces formulations de béton plus durables pourraient non seulement prolonger la durée de vie de ces matériaux, mais aussi comment elles pourraient améliorer la durabilité des formulations de béton imprimées en 3D”, a déclaré Masic.
La recherche a été publiée dans Science Advances.
Une version de cet article a été publiée pour la première fois en janvier 2023.
