Des chercheurs percent le secret de la durabilité du béton romain

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Vue d’ensemble du Panthéon. | Rabax63 – CC BY-SA 4.0
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Les constructions romaines en béton non armé sont incroyablement robustes. Nombre d’entre elles ont traversé deux millénaires en demeurant presque complètement intactes. Les chercheurs ont consacré des décennies à essayer de comprendre ce qui rend cet ancien matériau de construction si durable. Grâce à de nouvelles analyses, ils ont enfin percé ce secret de fabrication de cet ancien béton, doté de capacités d’auto-réparation.

Le célèbre Panthéon de Rome, bâti au 1er siècle av. J.-C., est surmonté de la plus grande coupole en béton non armé du monde. Resté pratiquement intact, il ne présente encore aujourd’hui aucune faiblesse structurale. De même, certains aqueducs datant de l’époque romaine fournissent encore de l’eau à Rome. La robustesse de ces bâtiments et structures, dans une variété de climats, de zones sismiques et même en contact direct avec l’eau de mer, a toujours étonné les scientifiques. Les mortiers et bétons modernes ne montrent pas une telle durabilité.

Pendant longtemps, les experts ont supposé que le béton antique devait son extrême durabilité à un ingrédient particulier : la pouzzolane — du nom de la ville italienne de Pozzuoli —, une roche naturelle composée de cendres volcaniques, à laquelle était ajoutée de la chaux et de l’eau pour former des hydrates cimentaires. Les architectes et les historiens de l’époque décrivent d’ailleurs les matériaux pouzzolaniques comme des ingrédients clés du béton. En examinant de plus près des échantillons d’un mur en béton de l’époque romaine, des chercheurs du MIT ont observé d’autres caractéristiques étonnantes.

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Un processus à base de chaux vive, plus réactive

Le béton romain comporte quelques fragments de minéraux blancs et brillants, appelés « clastes de chaux », que l’on ne retrouve pas dans le béton moderne. Jusqu’à présent, les experts pensaient que ces agrégats de chaux étaient le fruit d’un mélange bâclé ou de matières premières de piètre qualité. Une théorie qui n’a jamais vraiment convaincu Admir Masic, professeur de génie civil et environnemental au MIT : « Si les Romains ont déployé tant d’efforts pour fabriquer un matériau de construction exceptionnel, en suivant toutes les recettes détaillées qui ont été optimisées au cours de nombreux siècles, pourquoi ont-ils déployé si peu d’efforts pour garantir la production d’un produit final bien mélangé ? », souligne-t-il dans un communiqué.

À l’aide de techniques d’imagerie à haute résolution et de cartographie chimique, Masic et son équipe ont trouvé une autre fonctionnalité potentielle à ces clastes de chaux. On supposait jusqu’à présent que la chaux — qui désigne de l’oxyde de calcium, de formule CaO — était incorporée au béton romain sous forme de chaux éteinte : le calcaire est chauffé à haute température pour produire une poudre caustique hautement réactive appelée chaux vive, puis celle-ci est mélangée à de l’eau pour produire de la chaux éteinte (ou hydroxyde de calcium).

composition éléments béton romain
Carte élémentaire (calcium : rouge, silicium : bleu, aluminium : vert) d’un fragment de 2 cm de béton romain antique recueilli sur le site archéologique de Privernum, en Italie (à gauche). Un claste de chaux riche en calcium, responsable des propriétés d’auto-réparation de ce matériau ancien, est clairement visible dans la région inférieure du fragment. © L. Seymour et al.

Mais ce processus ne pouvait à lui seul expliquer la présence des clastes de chaux. Ces fragments étaient constitués de diverses formes de carbonate de calcium, et les analyses spectroscopiques ont révélé que ceux-ci avaient dû se former à des températures extrêmes. Ce qui a amené les chercheurs à supposer que les Romains utilisaient peut-être la chaux sous sa forme la plus réactive, à savoir la chaux vive — un processus appelé « mélange à chaud ».

Comme l’explique Masic, cette méthode présente plusieurs avantages. Pour commencer, les températures élevées dues à l’usage de chaux vive sont nécessaires à certaines réactions chimiques ; de plus, elles réduisent considérablement les temps de durcissement et de prise, car toutes les réactions sont accélérées, ce qui permet une construction beaucoup plus rapide.

Des fissures qui se réparent automatiquement

Mais ce n’est pas tout ! Le mélange à chaud permet aux clastes de chaux d’adopter une architecture nanoparticulaire relativement fragile, donc facile à fracturer, fournissant une réserve de calcium quasi permanente : c’est la clé de la capacité d’auto-réparation de ce béton.

schéma processus mélange chaud
Grâce au processus de mélange à chaud, les clastes de chaux riches en calcium sont encapsulés par la matrice cimentaire qui subit finalement une carbonatation. Lors de la fissuration, l’eau peut s’infiltrer, transportant une solution enrichie en calcium dans le réseau de pores pour réparer les dommages (processus 1) ou servir de calcium réactif pour les réactions post-pouzzolaniques qui renforcent encore le matériau (processus 2). © L. Seymour et al.

Si des fissures commencent à se former, elles se déplacent préférentiellement à travers les clastes de chaux, qui ont une surface relativement plus importante que les autres composants. Puis, lorsque de l’eau pénètre dans ces fissures, elle réagit avec la chaux, créant une solution saturée en calcium, qui peut recristalliser sous forme de carbonate de calcium et ainsi combler rapidement la fissure, ou réagir avec des matériaux pouzzolaniques pour renforcer davantage le matériau composite. Ces réactions ont lieu spontanément et réparent donc automatiquement les fissures avant qu’elles ne s’étendent davantage.

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L’analyse de divers échantillons de béton prélevés sur des sites archéologiques a montré en effet qu’ils présentaient d’anciennes fissures remplies de calcite.

Les chercheurs ont testé cette hypothèse en produisant eux-mêmes différents échantillons de béton, tous à base de chaux vive : les uns suivaient la formulation romaine, les autres la formulation moderne. Ils ont ensuite délibérément fissuré ces morceaux de béton avant d’introduire de l’eau dans ces interstices. Ils ont alors constaté qu’au bout de deux semaines, les fissures étaient complètement obstruées, l’eau ne pouvait plus s’y écouler. Cela n’a pas été le cas d’un échantillon de béton témoin, réalisé sans chaux vive.

L’équipe travaille désormais à la commercialisation de ce matériau cimentaire modifié. Améliorer la longévité du béton grâce à l’incorporation de telles fonctionnalités d’auto-réparation permettrait de réduire l’empreinte carbone du ciment, qui représente aujourd’hui jusqu’à 8% des émissions mondiales totales de gaz à effet de serre.

Source : L. Seymour et al., Science Advances

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