L'indestructible ciment romain grâce aux minéraux et l'eau de mer

Publié le par Cristal

Comment l’eau de mer renforce-t-elle le béton romain ?

Le béton romain est plus résistant que le ciment Portland. Des chercheurs rapportent que c’est l’interaction avec l’eau de mer qui lui donne sa résistance remarquable.

Pont_du_Gard_et_aqueduc_romain © credit photos : Wikipédia
 
Autour de l’an 79 après l’ère commune, l’auteur romain Pline l’Ancien a écrit dans son Naturalis Historia que les structures de béton dans les ports, exposés à l’assaut constant des vagues d’eau salée, deviennent une seule masse de pierre, imperméables pour les vagues et qui se renforcent chaque jour.

 

Pline n’exagérait pas. Alors que les structures modernes en béton marin s’effondrent en quelques décennies, les piliers et les brise-lames existent encore aujourd’hui alors qu’ils datent déjà de 2 000 ans. Et il semble que ces structures sont plus résistantes par rapport à l’époque de leur construction. Une géologue de l’université de l’Utah, Marie Jackson, étudie les minéraux et les petites structures en béton romain comme une roche volcanique. Cette chercheuse et ses collègues ont constaté que l’eau de mer, qui filtre à travers le béton, mène au développement de minéraux entrelacés qui renforcent la cohésion du béton romain. Les résultats sont publiés dans la revue American Mineralogist.

Le béton romain contre le ciment Portland

Les Romains ont fabriqué leur béton en mélangeant des cendres volcaniques avec de la chaux et de l’eau de mer pour former un mortier. Ensuite, ils ont incorporé des morceaux de roches volcaniques dans ce mortier pour former l’agrégat dans le béton. La combinaison de cendres, d’eau et de chaux vive produit ce qu’on appelle une réaction pozzolanique nommée d’après la ville de Pozzuoli dans la baie de Naples. Les Romains ont eu l’idée de ce mélange en s’inspirant des gisements de cendres volcaniques qui se cimentent naturellement et qu’on connait comme le tuf volcanique. Ce dernier est fréquent dans la région comme l’a décrit Pline.

Le béton romain de type conglomérat a été utilisé dans de nombreuses structures architecturales incluant les marchés du Panthéon et de Trajan à Rome. Des structures maritimes massives protégeaient les ports en pleine mer et servaient d’ancrages étendus pour les navires et les entrepôts. Le béton moderne du ciment Portland utilise également de l’agrégat de roche, mais avec une différence importante. Les particules de sable et de gravier sont conçues pour être inertes. Toute réaction avec la pâte de ciment pourrait former des gels qui augmentent et pourraient craquer le béton. Cette réaction alcali-silice se produit dans le monde entier et c’est l’une des principales causes de destruction des structures en béton du ciment Portland selon Jackson.

Redécouvrir le béton romain

L’intérêt de Jackson pour le béton romain a commencé par une année sabbatique à Rome. Elle a d’abord étudié les tufs et elle a ensuite étudié les gisements de cendres volcaniques en étant fascinée par leur rôle dans la production de la remarquable durabilité du béton romain.

Avec ses collègues, Jackson a commencé à étudier les critères de résistance du béton architectural à Rome. Un des critères selon cette chercheuse est que les mélanges minéraux entre l’agrégat et le mortier qui empêchent l’augmentation des fissures tandis que les surfaces des granulats non réactifs dans le ciment Portland facilitent cette augmentation de fissure.

Un forage dans le cadre du projet ROMACONS dans le Portus Cosanus en Toscane en 2003 – Crédit : J.P. Oleson

 

Dans une autre étude sur le béton romain utilisé dans les ports provenant du projet ROMACONS, Jackson et ses collègues ont trouvé un minéral exceptionnellement rare qui est la tobermorite alumineuse (Al-tobermorite) dans le mortier marin.

Des cristaux minéraux se sont formés dans des particules de chaux par une réaction pozolanique à des températures élevées. La présence d’Al-tobermorite a surpris Jackson. C’est très difficile à fabriquer. Sa synthèse de ce matériau en laboratoire nécessite des températures élevées et cela donne uniquement des petites quantités.

La création de minéraux en présence d'eau de mer

Pour la nouvelle étude, Jackson et d’autres chercheurs sont retournés aux carottes de forage provenant de ROMACONS en les examinant avec une variété de méthodes incluant des analyses de microdiffraction et de microfluorescence au Lawrence Berkeley National Laboratory. Ils ont constaté que l’Al-tobermorite et un autre minéral associé à la zéolite, le Phillipsite, se forment dans des particules de ponce et des pores dans la matrice de cimentation. Grâce à des travaux précédents, l’équipe savait que le processus de durcissement pouzzolanique du béton romain était de courte durée. Ce phénomène a provoqué la croissance des minéraux à basse température après le durcissement du béton. Personne n’a eu l’idée de produire de la tobermorite à 20 degrés Celsius sauf les Romains !

En tant que géologues, nous savons que les roches évoluent selon Jackson. Le changement est une constante pour les matériaux terrestres. Mais comment ce changement influence-t-il la durabilité des structures romaines ? L’équipe a conclu que lorsque l’eau de mer percolait à travers le béton dans les brise-lames et dans les piliers, cette eau de mer dissolvait les composants des cendres volcaniques et elle permettait le développement de nouveaux minéraux à partir des fluides hautement alcalins, notamment l’Al-tobermorite et le phillipsite. Cet Al-tobermorite possède des compositions riches en silice similaire aux cristaux qui se forment dans les roches volcaniques. Les cristaux ont des formes lamellaires qui renforcent la matrice de cimentation. Les plaques interverrouillées augmentent la résistance du béton contre les fractures.

 

Une image au microscope du béton romain. On a un matériau liant grumeleux connu comme CASH (calcium-aluminum-silicate-hydrate) qui se forme quand la cendre volcanique, la chaux et l’eau de mer se mélangent. Des cristaux lamellaires d’Al-tobermorite se développent dans la matrice de cimentation de CASH – Crédit : Marie Jackson

Jackson estime que ce processus est normalement une mauvaise chose pour les matériaux modernes. Nous examinons un système qui est contraire à un béton basé sur le ciment. Nous observons un système qui se développe dans un échange chimique ouvert avec de l’eau de mer.

Pourquoi on n’utilise plus le béton romain ?

Étant donné les avantages de la durabilité du béton romain, pourquoi on ne l’utilise pas de nos jours en sachant que la fabrication du ciment Portland produit des émissions importantes de dioxyde de carbone ? La recette du béton romain est complètement perdue selon Jackson. Elle a étudié les textes romains anciens, mais elle n’a pas encore découvert les méthodes précises pour mélanger le mortier marin pour recréer entièrement le béton romain.

Les Romains ont eu la chance pour découvrir la bonne roche. Ils ont observé que les cendres volcaniques ont développé des ciments pour produire le tuf. Ces roches sont assez rares dans le monde et donc, il faudrait trouver des alternatives.

Elle travaille désormais avec l’ingénieur en géologie Tom Adams pour développer une recette de remplacement, mais en utilisant des matériaux de l’ouest des États-Unis. L’eau de mer dans ses expériences provient de la marina de Berkeley en Californie. Il faut beaucoup de temps pour que le béton romain bénéficie de la résistance de l’eau de mer et il présente moins de résistance à la compression que le ciment Portland. Pour ces raisons, il est peu probable que le béton romain puisse se généraliser, mais il pourrait être utile dans des contextes particuliers.

Jackson a apporté son expertise sur un projet de lagune littorale qui sera construit à Swansea au Royaume-Uni, pour exploiter l’énergie marémotrice. La lagune devra être exploitée pendant 120 ans pour récupérer les coûts engagés dans sa construction. Avec nos matériaux de construction modernes tels que le béton ou l’acier, cette lagune ne pourrait jamais tenir pendant une aussi longue période. Mais un prototype de béton romain pourrait rester intact pendant des siècles.

Jackson estime que bien que les chercheurs aient résolu de nombreuses questions sur le mortier du béton, on ignore encore précisément les réactions chimiques sur le long terme dans les matériaux agrégés. Elle a l’intention de poursuivre le travail de Pline et d’autres savants romains qui ont travaillé pour découvrir les secrets de leur béton. Les Romains se sont beaucoup concentrés pour améliorer leur béton. Et si nous envisageons de construire à côté ou sur la mer, alors nous devrions également y réfléchir.

Source : American Mineralogist (http://dx.doi.org/10.2138/am-2017-5993CCBY)

Sources

1.
Oleson JP, Brandon C, Cramer SM, Cucitore R, Gotti E, Hohlfelder RL. The ROMACONS Project: a Contribution to the Historical and Engineering Analysis of Hydraulic Concrete in Roman Maritime Structures. International Journal of Nautical Archaeology. 2004;33(2):199-229. doi: 10.1111/j.1095-9270.2004.00020.x

Publié dans Cristaux et sciences

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