Une étude montre comment la chimie changeante du mortier romain renforce la tombe au fil du temps


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  • Au fil du temps, le béton se fissure et s’effrite. Bien, plus le béton se fissure et s’effrite. Les structures construites dans la Rome antique sont toujours debout, présentant une durabilité remarquable malgré des conditions qui dévasteraient le béton moderne.

    L’une de ces structures est la grande tombe cylindrique de la noble du premier siècle Caecilia Metella. De nouvelles recherches montrent que la qualité du béton de sa tombe peut dépasser celle des monuments de ses contemporains masculins en raison de l’agrégat volcanique choisi par les constructeurs et des interactions chimiques inhabituelles avec la pluie et les eaux souterraines avec cet agrégat sur deux millénaires.

    « La construction de ce monument et point de repère très innovant et robuste sur la Via Appia Antica indique qu’elle était tenue en haute estime », déclare Marie Jackson, professeure associée de recherche en géologie et géophysique à l’Université de l’Utah, « et le tissu de béton 2 050 des années plus tard reflète une présence forte et résiliente. »

    La recherche est publiée dans le Journal de l’American Ceramic Society et est financé en partie par le programme ARPA-e « Extreme Durability of Cementitious Materials » du Département américain de l’énergie.

    Qui était Caecilia Metella ?

    La tombe de Caecilia Metella est un point de repère sur la Via Appia Antica, une ancienne voie romaine également connue sous le nom de Voie Appienne. Il se compose d’une tour en forme de tambour qui repose sur une base carrée, au total environ 70 pieds (21 m) de haut et 100 pieds (29 m) de diamètre. Construit vers 30 avant notre ère, lors de la transformation de la République romaine en Empire romain, dirigé par l’empereur Auguste, en 27 avant notre ère, le tombeau est considéré comme l’un des monuments les mieux conservés de la voie Appienne (un château attaché au tombeau a été construit au XIVe siècle).

    Caecilia elle-même était membre d’une famille riche, fille d’un consul romain. Elle s’est mariée dans la famille de Marcus Lincius Crassus, un général et homme d’État romain qui a formé une célèbre alliance triumvirale avec Jules César et Pompée.

    On ne sait pas grand-chose de plus sur la vie de Caecilia, mais l’ampleur durable de sa tombe a attiré l’attention des visiteurs pendant des siècles, y compris Lord Byron qui a écrit sur la tombe dans « Childe Harold’s Pilgrimage » au début des années 1800. Après avoir décrit la structure semblable à une forteresse, Byron demande :

    « Quelle était cette tour de force? dans sa grotte

    Quel trésor était si enfermé, si caché ? — La tombe d’une femme. »

    Jackson a visité la tombe en 2006 avec l’archéologue Dottoressa Lisa Gianmichele et avec un permis de la Soprintendenza Archeologia di Roma pour prélever de petits échantillons du mortier à des fins d’analyse.

    « C’était une journée très chaude de juin », dit-elle, « et pourtant, lorsque nous avons descendu les marches menant au couloir sépulcral, l’air est devenu très frais et humide. » Elle note les murs de maçonnerie en brique compacts, cohérents et presque parfaitement conservés et l’affleurement de roche volcanique presque saturé d’eau dans la sous-structure.

    « L’atmosphère était très tranquille », ajoute-t-elle, « à l’exception du flottement des pigeons au centre ouvert de la structure circulaire. »

    Qu’est-ce que le béton romain ?

    Avant de plonger dans les détails, orientons-nous vers la terminologie du béton. Marchez le long de la plupart des trottoirs et vous verrez que le béton est composé d’un agrégat (sables et graviers rocheux) et d’un liant de ciment. Le ciment d’un trottoir moderne est probablement du ciment Portland, produit en chauffant des minéraux calcaires et argileux dans un four pour former du clinker, en broyant le clinker et en ajoutant une petite quantité de gypse.

    La tombe est un exemple des technologies raffinées de construction en béton de la fin de la Rome républicaine qui ne contiennent pas de ciment. Les technologies ont été décrites par l’architecte Vitruve pendant la période où la tombe de Caecilia Metella était en construction. Construire des murs épais de briques grossières ou d’agrégats de roche volcanique liés avec du mortier à base de chaux hydratée et de téphra volcanique (fragments poreux de verre et de cristaux provenant d’éruptions explosives), donnerait des structures qui « sur une longue période de temps ne tombent pas en ruines. « 

    Les paroles de Vitruve sont prouvées par les nombreuses structures romaines qui existent aujourd’hui, y compris les marchés de Trajan (construits entre 100 et 110 CE, plus d’un siècle après la tombe) et les structures marines comme les jetées et les brise-lames, que Jackson et ses collègues ont également étudié. .

    Ce que les anciens Romains ne pouvaient pas savoir, cependant, c’est comment les cristaux de la leucite minérale, riche en potassium, dans l’agrégat de tephra volcanique se dissolvaient avec le temps pour remodeler et réorganiser de manière bénéfique la cohésion du béton.

    Pour comprendre la structure minérale du béton, Jackson s’est associé aux chercheurs Linda Seymour et Admir Masic du Massachusetts Institute of Technology et Nobumichi Tamura au Lawrence Berkeley National Laboratory. Ils ont fouillé dans la microstructure du béton avec une panoplie d’outils scientifiques puissants.

    « Les échantillons tels que le mortier ancien sont très hétérogènes et complexes, constitués d’un mélange de différentes phases cristallines avec des tailles de grains allant de quelques micromètres à quelques nanomètres », explique Tamura, qui a effectué des analyses à l’aide de la ligne de lumière Advanced Light Source 12.3.2. . Pour identifier les différents minéraux dans l’échantillon, ainsi que leur orientation, dit-il, vous avez besoin d’un instrument comme la ligne de faisceau de microdiffraction à la source de lumière avancée qui produit un « faisceau de rayons X de taille micron, extrêmement brillant et énergique qui peut pénétrer à travers toute l’épaisseur des échantillons, ce qui en fait un outil parfait pour une telle étude. »

    Seymour, qui a participé à cette étude en tant que Ph.D. étudiant au MIT et est maintenant consultant de projet avec la société d’ingénierie Simpson, Gumpertz & Heger, a effectué des analyses supplémentaires sur les échantillons.

    « Chacun des outils que nous avons utilisés a ajouté un indice aux processus dans le mortier », dit-elle. La microscopie électronique à balayage a montré les microstructures des blocs de construction de mortier à l’échelle du micron. La spectrométrie à rayons X à dispersion d’énergie a montré les éléments constituant chacun de ces blocs de construction. « Ces informations nous permettent d’explorer rapidement différentes zones du mortier, et nous avons pu identifier les éléments de base liés à nos questions », dit-elle. L’astuce, ajoute-t-elle, consiste à toucher précisément la même cible de blocs de construction avec chaque instrument lorsque cette cible n’a qu’environ la largeur d’un cheveu.

    Pourquoi le béton de la tombe de Caecilia est-il si unique ?

    Dans les épais murs de béton de la tombe de Caecilia Metella, un mortier contenant du téphra volcanique de la coulée pyroclastique de Pozzolane Rosse à proximité (une masse dense de téphra chaud et de gaz éjectés de manière explosive du volcan Alban Hills voisin) lie de gros morceaux de brique et d’agrégats de lave. C’est à peu près le même mortier utilisé dans les murs des marchés de Trajan 120 ans plus tard.

    Dans une analyse précédente du mortier Markets of Trajan, Jackson, Tamura et leurs collègues ont exploré la « colle » du mortier, un élément constitutif appelé la phase de liaison CASH (calcium-aluminium-silicate-hydrate), ainsi qu’un minéral appelé strätlingite. Les cristaux de strätlingite bloquent la propagation des microfissures dans le mortier, les empêchant de se lier entre elles et de fracturer la structure en béton.

    Mais le tephra que les Romains utilisaient pour le mortier Caecilia Metella était plus abondant en leucite riche en potassium. Des siècles d’eau de pluie et d’eau souterraine s’infiltrant à travers les murs de la tombe ont dissous la leucite et libéré le potassium dans le mortier. Dans le béton moderne, une telle inondation de potassium créerait des gels expansifs qui provoqueraient des microfissures et éventuellement un écaillage et une détérioration de la structure.

    Dans la tombe, cependant, le potassium s’est dissous et a reconfiguré la phase de liaison CASH. Seymour dit que les techniques de microdiffraction des rayons X et de spectroscopie Raman leur ont permis d’explorer comment le mortier avait changé. « Nous avons vu des domaines CASH qui étaient intacts après 2 050 ans et certains qui se divisaient, étaient vaporeux ou avaient une morphologie différente », dit-elle. La microdiffraction des rayons X, en particulier, a permis une analyse des domaines vaporeux jusqu’à leur structure atomique. « Nous voyons que les domaines vaporeux prennent une nature nanocristalline », dit-elle.

    Les domaines remodelés « créent évidemment des composants robustes de cohésion dans le béton », explique Jackson. Dans ces structures, contrairement aux Marchés de Trajan, il y a beaucoup moins de strätlingite formée.

    Stefano Roascio, l’archéologue en charge de la tombe, note que l’étude est très pertinente pour comprendre d’autres structures en béton anciennes et historiques qui utilisent l’agrégat Pouzzolane Rosse.

    Admir Masic, professeur agrégé de génie civil et environnemental au MIT, affirme que l’interface entre les granulats et le mortier de tout béton est fondamentale pour la durabilité de la structure. Dans le béton moderne, dit-il, les réactions alcali-silice qui forment des gels expansifs peuvent compromettre les interfaces même du béton le plus durci.

    « Il s’avère que les zones interfaciales de l’ancien béton romain de la tombe de Caecilia Metella évoluent constamment grâce à un remodelage à long terme », dit-il. « Ces processus de remodelage renforcent les zones interfaciales et contribuent potentiellement à l’amélioration des performances mécaniques et de la résistance à la rupture du matériau ancien. »

    Pouvons-nous recréer cet effet aujourd’hui ?

    Jackson et ses collègues travaillent à reproduire certains des succès des Romains dans les bétons modernes, en particulier dans un projet ARPA-e du Département américain de l’énergie pour encourager des agrégats similaires bénéfiquement réactifs dans les bétons qui utilisent la magmatique cellulaire artificielle à la place du téphra de l’ancien Ouvrages romains. L’objectif, selon l’ARPA-e, est qu’un béton de type romain puisse réduire de 85 % les émissions énergétiques de la production et de l’installation du béton et quadrupler la durée de vie de 50 ans des bétons marins modernes.

    « Se concentrer sur la conception de bétons modernes avec des zones interfaciales constamment renforcées pourrait nous fournir une autre stratégie pour améliorer la durabilité des matériaux de construction modernes », a déclaré Masic. « Faire cela grâce à l’intégration de la » sagesse romaine « qui a fait ses preuves dans le temps fournit une stratégie durable qui pourrait améliorer la longévité de nos solutions modernes par des ordres de grandeur. »

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