Des grumeaux blancs de quelques millimètres, disséminés dans le béton romain antique, ont longtemps été considérés comme la preuve d’un mélange raté ou de matières premières médiocres. Une étude menée par une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de l’université Harvard et de laboratoires italiens et suisses, publiée dans la revue Science Advances, inverse ce diagnostic : ces lime clasts, des grumeaux de chaux, seraient en réalité à l’origine d’une capacité d’auto-cicatrisation du matériau.
Admir Masic, professeur d’ingénierie civile et environnementale au MIT et auteur principal des travaux, n’a jamais cru à l’explication du défaut de fabrication. Il a expliqué que si les Romains avaient fait autant d’efforts pour fabriquer un matériau de construction exceptionnel, en suivant toutes les recettes détaillées optimisées au fil de nombreux siècles, il semblait peu probable qu’ils aient fait si peu d’efforts pour garantir la production d’un produit final bien mélangé, et qu’il devait y avoir autre chose derrière cette histoire.
Jusqu’ici, les chercheurs privilégiaient une autre piste pour expliquer la résistance du matériau : la pouzzolane, cette cendre volcanique de la région de Pouzzoles, près de Naples, expédiée dans tout l’empire pour la construction.
Le mélange à chaud, technique retrouvée
Grâce à des techniques d’imagerie à haute résolution et de cartographie chimique développées dans son laboratoire, l’équipe de Masic a déterminé que les grumeaux étaient composés de diverses formes de carbonate de calcium, formées à des températures extrêmes. Cette signature correspond à la réaction exothermique produite par la chaux vive, plutôt qu’à la chaux éteinte habituellement utilisée.
Masic s’est alors demandé s’il était possible que les Romains aient en réalité utilisé directement la chaux sous sa forme la plus réactive, connue sous le nom de chaux vive.
Chauffé à haute température lors de ce mélange à chaud, le béton autorise des réactions chimiques impossibles avec la seule chaux éteinte, produisant des composés qui ne se formeraient pas autrement. Autre effet direct : les temps de durcissement diminuent nettement, toutes les réactions étant accélérées, ce qui permettait une construction plus rapide.
Le mécanisme d’auto-cicatrisation découle de la structure friable de ces grumeaux. Dès qu’une fissure apparaît, elle traverse préférentiellement les grumeaux de chaux, dont la surface très réactive entre en contact avec l’eau. Se forme alors une solution saturée en calcium, qui recristallise en carbonate de calcium et comble la fissure, ou réagit avec les matériaux pouzzolaniques pour renforcer l’ensemble. D’anciens échantillons présentant des fissures remplies de calcite avaient déjà orienté les chercheurs vers cette hypothèse.
Pour la vérifier, l’équipe a fabriqué des échantillons de béton mélangé à chaud, selon des formulations anciennes et modernes, avant de les fissurer volontairement et d’y faire couler de l’eau. En deux semaines, les fissures s’étaient complètement refermées et l’eau ne passait plus. Un échantillon identique fabriqué sans chaux vive, lui, ne s’est jamais cicatrisé. Forte de ce résultat, l’équipe travaille désormais à la commercialisation de ce matériau cimentaire modifié.
Dans les toilettes de la villa d’Hadrien
Une seconde étude, également publiée dans Science Advances, apporte un éclairage complémentaire. Une équipe pilotée par Paulo Monteiro, ingénieur à l’université de Californie à Berkeley, a prélevé un morceau de béton dans une toilette communale à usage impérial, dans la villa de l’empereur Hadrien à Tivoli, en Italie, bâtie au IIe siècle et en grande partie encore debout.
Examiné jusqu’à l’échelle nanométrique, l’échantillon révèle que le dioxyde de carbone de l’air a réagi lentement, sur le long terme, avec la chaux résiduelle du béton pour produire de la calcite, le minéral du calcaire. Cette calcite se serait cristallisée dans les pores et les fissures minuscules, densifiant le matériau et scellant progressivement des faiblesses qui, sinon, se seraient propagées.
Des recherches antérieures avaient déjà repéré de la calcite dans le béton romain, sans en cartographier l’architecture en trois dimensions.
Ce phénomène de carbonatation ne remplace pas la réaction pouzzolanique déjà connue, entre cendres volcaniques et chaux vive, bien identifiée dans l’échantillon étudié. Il s’y ajoute. Monteiro a résumé que, bien que la réaction pouzzolanique soit d’une importance fondamentale, leurs résultats suggéraient que la carbonatation sur une longue période renforçait également la durabilité du béton et pouvait l’aider à sceller les fissures à mesure qu’il vieillit.
L’eau de mer qui muscle les murs romains
Troisième piste, publiée dans la revue American Mineralogist : celle de Marie Jackson, professeure à l’université de l’Utah et autrice principale de l’étude, qui s’est penchée sur les murs marins et les ports romains. Un microscope électronique, complété par de la micro-diffraction aux rayons X et de la spectroscopie Raman, a permis de cartographier la distribution des éléments dans le béton.
Résultat : d’importantes quantités de tobermorite alumineuse, un minéral rare, se développent dans toute la structure, associées à un minéral poreux apparenté, la phillipsite. L’exposition prolongée à l’eau de mer aurait fait croître ces cristaux au fil du temps, renforçant le béton au lieu de l’éroder, contrairement au ciment Portland moderne, fabriqué en chauffant et broyant calcaire, grès, cendres, craie, fer et argile.
Jackson a observé que, contrairement aux principes du béton moderne à base de ciment, les Romains avaient créé un béton semblable à de la roche qui prospère grâce à un échange chimique ouvert avec l’eau de mer.
La chercheuse a plaidé pour que le projet de lagon marémoteur prévu à Swansea, qui nécessiterait 120 ans de service pour amortir l’investissement, s’inspire de cette technique romaine, alors que les armatures en acier du béton moderne corroderaient bien avant ce délai. Deux obstacles subsistent toutefois : la rareté des roches volcaniques adaptées et l’absence de la formule exacte suivie par les Romains, qu’il faudrait des années d’expérimentation pour retrouver intégralement.
Vers un béton plus sobre en carbone
La production de ciment représente environ 8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Masic espère que ces formulations plus durables prolongeront la durée de vie des ouvrages et amélioreront la résistance du béton imprimé en 3D.
Il a indiqué que c’était passionnant de penser à la manière dont ces formulations de béton plus durables pourraient non seulement prolonger la durée de vie de ces matériaux, mais aussi améliorer la durabilité des formulations de béton imprimées en 3D. Son laboratoire travaille par ailleurs sur un béton capable d’absorber le dioxyde de carbone de l’air.
