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Les Romains de l’Antiquité étaient des maîtres de la construction et de l’ingénierie, dont les aqueducs constituent peut-être l’exemple le plus célèbre. Ces merveilles encore fonctionnelles reposent sur un matériau de construction unique : le béton pouzzolanique, un béton spectaculairement durable qui confère aux structures romaines leur incroyable solidité.

Aujourd’hui encore, l’une de leurs structures – le Panthéon, toujours intact et vieux de près de 2 000 ans – détient le record du plus grand dôme en béton non armé du monde.

Les propriétés de ce béton sont généralement attribuées à ses ingrédients : la pouzzolane, un mélange de cendres volcaniques – nommé d’après la ville italienne de Pouzzoles, où l’on en trouve un important gisement – et de chaux. Mélangés à de l’eau, ces deux matériaux peuvent réagir pour produire un béton solide.

Mais il s’avère que ce n’est pas tout. En 2023, une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a découvert que non seulement les matériaux étaient légèrement différents de ce que nous pensions, mais que les techniques utilisées pour les mélanger étaient également différentes.

L’arme fatale, ce sont les petits morceaux blancs de chaux que l’on peut trouver dans ce qui semble être un béton bien mélangé. La présence de ces morceaux avait été précédemment attribuée à un mauvais mélange ou à de mauvais matériaux, mais cela n’avait pas de sens pour Admir Masic, scientifique spécialiste des matériaux au MIT.

« L’idée que la présence de ces clastes de chaux soit simplement attribuée à un contrôle de qualité médiocre m’a toujours dérangé », a déclaré Admir Masic en janvier 2023.

« 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 garantir la production d’un produit final bien mélangé ? Il doit y avoir plus que cela dans cette histoire ».

Masic et son équipe, dirigée par Linda Seymour, ingénieur civil au MIT, ont soigneusement étudié des échantillons de béton romain vieux de 2 000 ans provenant du site archéologique de Privernum, en Italie.

Ces échantillons ont été soumis à la microscopie électronique à balayage à grande surface, à la spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie, à la diffraction des rayons X sur poudre et à l’imagerie Raman confocale afin de mieux comprendre les clastes de chaux.

L’une des questions à l’esprit était la nature de la chaux utilisée. La compréhension standard du béton pouzzolanique est qu’il utilise de la chaux éteinte. Tout d’abord, le calcaire est chauffé à haute température pour produire une poudre caustique très réactive appelée chaux vive, ou oxyde de calcium.

En mélangeant la chaux vive avec de l’eau, on obtient de la chaux éteinte, ou hydroxyde de calcium : une pâte légèrement moins réactive et moins caustique. Selon la théorie, c’est cette chaux éteinte que les anciens Romains mélangeaient à la pouzzolane.

D’après l’analyse de l’équipe, les clastes de chaux de leurs échantillons ne correspondent pas à cette méthode. Au contraire, le béton romain a probablement été fabriqué en mélangeant la chaux vive directement avec la pouzzolane et l’eau à des températures extrêmement élevées, seule ou en plus de la chaux éteinte, un processus que l’équipe appelle « mélange à chaud » et qui donne lieu aux clastes de chaux.

« Les avantages du mélange à chaud sont doubles », explique M. Masic.

« Premièrement, lorsque l’ensemble du béton est chauffé à des températures élevées, cela permet des chimies qui ne seraient pas possibles si l’on n’utilisait que de la chaux éteinte, en produisant des composés associés à des températures élevées qui ne se formeraient pas autrement. Deuxièmement, cette augmentation de la température réduit considérablement les temps de durcissement et de prise puisque toutes les réactions sont accélérées, ce qui permet une construction beaucoup plus rapide. »

Elle présente un autre avantage : les clastes de chaux confèrent au béton de remarquables capacités d’autocicatrisation.

Lorsque des fissures se forment dans le béton, elles se déplacent de préférence vers les clastes de chaux, qui ont une surface plus importante que les autres particules de la matrice. Lorsque l’eau pénètre dans la fissure, elle réagit avec la chaux pour former une solution riche en calcium qui sèche et durcit sous forme de carbonate de calcium, recollant la fissure et l’empêchant de s’étendre davantage.

Ce phénomène a été observé dans le béton d’un autre site vieux de 2 000 ans, la tombe de Caecilia Metella, où les fissures du béton ont été remplies de calcite. Cela pourrait également expliquer pourquoi le béton romain des digues construites il y a 2 000 ans est resté intact pendant des millénaires malgré les coups de boutoir constants de l’océan.

L’équipe a donc testé ses conclusions en fabriquant du béton pouzzolanique à partir de recettes anciennes et modernes utilisant de la chaux vive. Elle a également fabriqué un béton de contrôle sans chaux vive et a effectué des tests de fissuration. Il s’est avéré que le béton fissuré à base de chaux vive s’est entièrement cicatrisé en deux semaines, alors que le béton de contrôle est resté fissuré.

L’équipe travaille désormais à la commercialisation de son béton, qui constitue une alternative plus respectueuse de l’environnement que les bétons actuels.

« Il est passionnant de penser à la façon dont ces formulations de béton plus durables pourraient prolonger non seulement la durée de vie de ces matériaux, mais aussi améliorer la durabilité des formulations de béton imprimées en 3D », a déclaré M. Masic.

La recherche a été publiée dans Science Advances.

Adaptation Terra Projects

Source : https://www.sciencealert.com/

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