Pourquoi le béton romain était-il si durable ? —

Les chercheurs ont passé des décennies à essayer de découvrir le secret de cet ancien matériau de construction ultradurable, en particulier dans les structures qui ont enduré des conditions particulièrement difficiles, telles que les quais, les égouts et les digues, ou celles construites dans des endroits sismiquement actifs.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du MIT, de l’Université de Harvard et de laboratoires en Italie et en Suisse a fait des progrès dans ce domaine, découvrant d’anciennes stratégies de fabrication de béton qui incorporaient plusieurs fonctionnalités clés d’auto-guérison. Les résultats sont publiés dans la revue Avancées scientifiquesdans un article du professeur de génie civil et environnemental du MIT, Admir Masic, de l’ancienne doctorante Linda Seymour et de quatre autres personnes.

Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont supposé que la clé de la durabilité du béton antique reposait sur un ingrédient : un matériau pouzzolanique tel que la cendre volcanique de la région de Pozzuoli, sur la baie de Naples. Ce type spécifique de cendre a même été expédié dans tout le vaste empire romain pour être utilisé dans la construction, et a été décrit comme un ingrédient clé du béton dans les récits des architectes et des historiens de l’époque.

En examinant de plus près, ces échantillons anciens contiennent également de petites caractéristiques minérales blanches brillantes distinctives à l’échelle millimétrique, qui sont depuis longtemps reconnues comme un composant omniprésent des bétons romains. Ces morceaux blancs, souvent appelés “clastes de chaux”, proviennent de la chaux, un autre composant clé de l’ancien mélange de béton. “Depuis que j’ai commencé à travailler avec le béton de la Rome antique, j’ai toujours été fasciné par ces caractéristiques”, déclare Masic. “Ceux-ci ne se trouvent pas dans les formulations de béton modernes, alors pourquoi sont-ils présents dans ces matériaux anciens?”

Auparavant ignorées comme une simple preuve de pratiques de mélange bâclées ou de matières premières de mauvaise qualité, la nouvelle étude suggère que ces minuscules clastes de chaux ont donné au béton une capacité d’auto-guérison auparavant non reconnue. “L’idée que la présence de ces clastes de chaux était simplement attribuée à un contrôle de qualité médiocre m’a toujours dérangé”, explique 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 déployé si peu d’efforts pour assurer la production d’un produit final bien mélangé ? Il doit y avoir plus à cette histoire.”

Après une caractérisation plus poussée de ces clastes de chaux, à l’aide de techniques d’imagerie multi-échelles à haute résolution et de cartographie chimique mises au point dans le laboratoire de recherche de Masic, les chercheurs ont acquis de nouvelles connaissances sur la fonctionnalité potentielle de ces clastes de chaux.

Historiquement, on avait supposé que lorsque la chaux était incorporée dans le béton romain, elle était d’abord combinée avec de l’eau pour former un matériau pâteux hautement réactif, dans un processus connu sous le nom d’extinction. Mais ce processus ne pouvait à lui seul expliquer la présence des clastes de chaux. Masic s’est demandé : « Était-il possible que les Romains aient effectivement utilisé directement la chaux sous sa forme la plus réactive, connue sous le nom de chaux vive ?

En étudiant des échantillons de cet ancien béton, lui et son équipe ont déterminé que les inclusions blanches étaient en effet constituées de diverses formes de carbonate de calcium. Et l’examen spectroscopique a fourni des indices que ceux-ci avaient été formés à des températures extrêmes, comme on pouvait s’y attendre de la réaction exothermique produite en utilisant de la chaux vive à la place ou en plus de la chaux éteinte dans le mélange. Le mélange à chaud, a conclu l’équipe, était en fait la clé de la nature super durable.

“Les avantages du mélange à chaud sont doubles”, explique 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.”

Au cours du processus de mélange à chaud, les clastes de chaux développent une architecture nanoparticulaire caractéristiquement fragile, créant une source de calcium facilement fracturée et réactive, qui, comme l’a proposé l’équipe, pourrait fournir une fonctionnalité d’auto-guérison essentielle. Dès que de minuscules fissures commencent à se former dans le béton, elles peuvent préférentiellement traverser les clastes calcaires de grande surface. Ce matériau peut alors réagir avec l’eau, créant une solution saturée de calcium, qui peut recristalliser sous forme de carbonate de calcium et remplir rapidement la fissure, ou réagir avec des matériaux pouzzolaniques pour renforcer davantage le matériau composite. Ces réactions se produisent spontanément et cicatrisent donc automatiquement les fissures avant qu’elles ne se propagent. Un soutien antérieur à cette hypothèse a été trouvé grâce à l’examen d’autres échantillons de béton romains qui présentaient des fissures remplies de calcite.

Pour prouver que c’était bien le mécanisme responsable de la durabilité du béton romain, l’équipe a produit des échantillons de béton mélangé à chaud qui incorporaient des formulations anciennes et modernes, les ont délibérément fissurées, puis ont fait couler de l’eau à travers les fissures. Effectivement : en deux semaines, les fissures étaient complètement cicatrisées et l’eau ne pouvait plus couler. Un morceau de béton identique fabriqué sans chaux vive n’a jamais cicatrisé et l’eau a continué à couler à travers l’échantillon. À la suite de ces tests réussis, l’équipe travaille à la commercialisation de ce matériau cimentaire modifié.

“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”, déclare Masic.

Grâce à la durée de vie fonctionnelle prolongée et au développement de coffrages en béton plus légers, il espère que ces efforts pourront contribuer à réduire l’impact environnemental de la production de ciment, qui représente actuellement environ 8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Avec d’autres nouvelles formulations, comme le béton qui peut réellement absorber le dioxyde de carbone de l’air, un autre axe de recherche actuel du laboratoire Masic, ces améliorations pourraient contribuer à réduire l’impact climatique global du béton.

L’équipe de recherche comprenait Janille Maragh du MIT, Paolo Sabatini du DMAT en Italie, Michel Di Tommaso de l’Instituto Meccanica dei Materiali, en Suisse, et James Weaver du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard. Les travaux ont été réalisés avec l’aide du musée archéologique de Priverno, Italie.