Le secret de la solidité du béton romain enfin révélé

Comment le béton des romains était-il fabriqué et comment se fait-il que certains monuments construit il y a 2 000 ans résistent encore et toujours... alors que d'autres structures plus récentes s'effondrent ? Le Panthéon de Rome, en Italie, bâti au premier siècle avant J.C., en est un exemple frappant : surmonté de la plus grande coupole en béton non armé du monde, il ne présente encore aucune faiblesse structurale à l'heure actuelle.

Il y a bien longtemps que les chercheurs essaient de percer ce mystère. Longtemps, on a supposé que c'est l'utilisation de la pouzzolane, roche naturelle volcanique, qui conférait au béton romain sa durabilité. Cette roche, issue de la région de Pouzzole, près de Naples en Italie, était d'ailleurs utilisée à travers tout l'empire romain pour fabriquer du béton.

Mais une équipe comportant des chercheurs de l'institut MIT et d'Harvard, avec la collaboration de laboratoires d'Italie et de Suisse, ont poussé l'analyse plus loin grâce à de nouvelles technologies d'imagerie à très haute résolution. L'observation d'échantillons de béton romain montre que de la chaux a été ajoutée au mélange. Mais pas n'importe quelle chaux. Il s'agissait de chaux vive. Les résultats de l'étude ont été publiées dans le journal "Science Advances" le 6 janvier 2023. Un article intitulé "Riddle solved: Why was Roman concrete so durable?" (En français : énigme résolue : pourquoi le béton romain était si solide ?), publié sur le site du MIT, résume les faits.

Une recette qui permettrait l'auto-réparation du béton

Des petits éclats blancs ont été observés depuis longtemps sur les bétons romain. On a longtemps cru qu'ils étaient le résultat d'un mélange bâclé ou de l'utilisation de matières premières de mauvaise qualité. Mais les analyses de nos chercheurs ont montré qu'il s'agissait de chaux. De plus, l'examen spectroscopique a indiqué que la chaux avait été intégrée à des températures extrêmes, comme on pourrait s'y attendre en utilisant de la chaux vive à la place ou en plus de la chaux éteinte dans le mélange. Selon les chercheurs, le mélange à chaud était en fait la clé de la nature super durable du béton romain.

"Les avantages du mélange à chaud sont doubles", explique le professeur de MIT Admir Masic. "Premièrement, lorsque l'ensemble du béton est chauffé à des températures élevées, cela provoque une réaction différente à l'utilisation de la chaux éteinte, produisant des composés associés à haute température qui ne se formeraient pas autrement. Deuxièmement, cette température accrue réduit considérablement les temps de durcissement et de prise puisque toutes les réactions sont accélérées, ce qui permet une construction beaucoup plus rapide."

Au cours du processus de mélange à chaud, les clastes de chaux développeraient une architecture nanoparticulaire caractéristiquement fragile, créant une source de calcium facilement fracturée et réactive, qui pourrait fournir une fonctionnalité d'auto-guérison essentielle.

Dès que de minuscules fissures commencent à se former dans le béton, elles pourraient préférentiellement traverser les clastes calcaires de grande surface. Le matériau pourrait alors réagir avec l'eau, créant une solution saturée de calcium, qui pourrait 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 produiraient spontanément et permettraient une auto-réparation des fissures avant qu'elles ne se propagent, selon le résultat de ces recherches.

Vers une utilisation de ce procédé aujourd'hui ?

Les chercheurs ont fait le test. Ils ont fabriqué un bloc de béton à base de pierre volcanique et de chaux vive, l'ont fissuré et ont fait couler de l'eau dessus. En deux semaines, les fissures étaient complètement cicatrisées et l'eau ne s'infiltrait plus, contrairement à ce qui se passerait avec du béton classique.

Les chercheurs du MIT se sont lancés dans de nouvelles formules de béton inspirées par la recette romaine. En effet, l'amélioration de la longévité du béton aurait un impact positif sur l'empreinte carbone de ce dernier. Le béton n'a pas fini d'évoluer... en puisant parfois son inspiration dans le passé.