L'histoire

Les secrets du béton romain antique

Les secrets du béton romain antique


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L'histoire contient de nombreuses références au béton antique, y compris dans les écrits du célèbre érudit romain Pline l'Ancien, qui a vécu au 1er siècle après JC et est mort lors de l'éruption du Vésuve en 79 après JC. Pline a écrit que le meilleur béton maritime a été fabriqué des cendres volcaniques trouvées dans les régions autour du golfe de Naples, en particulier près de la ville moderne de Pozzuoli. Ses vertus sont devenues si connues que les cendres aux caractéristiques minérales similaires, peu importe où elles se trouvent dans le monde, ont été surnommées pouzzolane.

En analysant les composants minéraux du ciment prélevé sur le brise-lames de la baie de Pozzuoli au laboratoire de l'U.C. Berkeley, ainsi que des installations en Arabie saoudite et en Allemagne, l'équipe internationale de chercheurs a pu découvrir le "secret" de la durabilité du ciment romain. Ils ont découvert que les Romains fabriquaient du béton en mélangeant de la chaux et de la roche volcanique pour former un mortier. Pour construire des structures sous-marines, ce mortier et ce tuf volcanique ont été emballés dans des formes en bois. L'eau de mer a alors déclenché une réaction chimique, par laquelle des molécules d'eau ont hydraté la chaux et ont réagi avec les cendres pour cimenter le tout. La liaison calcium-aluminium-silicate-hydrate (C-A-S-H) qui en résulte est exceptionnellement forte.

En comparaison, le ciment Portland (le mélange de béton moderne le plus courant) n'a pas la combinaison chaux-cendres volcaniques et ne se lie pas bien par rapport au béton romain. Le ciment Portland, utilisé depuis près de deux siècles, a tendance à s'user particulièrement rapidement dans l'eau de mer, avec une durée de vie inférieure à 50 ans. De plus, la production de ciment Portland produit une quantité importante de dioxyde de carbone, l'un des gaz à effet de serre les plus nocifs. Selon Paulo Monteiro, professeur de génie civil et environnemental à l'Université de Californie à Berkeley, et chercheur principal de l'équipe analysant le béton romain, la fabrication des 19 milliards de tonnes de ciment Portland que nous utilisons chaque année « représente 7 % de le dioxyde de carbone que l'industrie rejette dans l'air.

En plus d'être plus durable que le ciment Portland, affirment-ils, le béton romain semble également être plus durable à produire. Pour fabriquer du ciment Portland, le carbone est émis par le combustible utilisé pour chauffer un mélange de calcaire et d'argile à 1 450 degrés Celsius (2 642 degrés Fahrenheit) ainsi que par le calcaire chauffé (carbonate de calcium) lui-même. Pour fabriquer leur béton, les Romains utilisaient beaucoup moins de chaux et le fabriquaient à partir de calcaire cuit à 900 degrés Celsius (1652 degrés Fahrenheit) ou moins, un processus qui consommait beaucoup moins de carburant.

L'analyse des chercheurs sur le béton romain met en lumière les mélanges de béton modernes existants qui ont été utilisés comme substituts partiels plus respectueux de l'environnement pour le ciment Portland, tels que les cendres volcaniques ou les cendres volantes des centrales électriques au charbon. Monteiro et ses collègues suggèrent également que l'adoption de matériaux et de techniques de production utilisés par les anciens Romains pourrait produire un béton plus durable qui génère moins de dioxyde de carbone. Monteiro estime que la pouzzolane, que l'on peut trouver dans de nombreuses régions du monde, pourrait potentiellement remplacer "40 % de la demande mondiale de ciment Portland". Si tel est le cas, les constructeurs romains antiques peuvent être responsables d'avoir un impact vraiment révolutionnaire sur l'architecture moderne - une structure massive en béton à la fois.


Percer les secrets du béton romain

Les ruines du Forum romain. Crédit : THINK Global School/flickr/CC BY-NC-ND 2.0

Il y a plus de deux mille ans, les anciens Romains ont construit des jetées, des brise-lames et d'autres structures en béton, et certaines de ces structures existent encore aujourd'hui. Aujourd'hui, les chercheurs tentent de comprendre les processus chimiques et géologiques qui concourent à donner à ce béton ancien une telle durabilité. À l'aide de techniques de microscopie, de diffraction des rayons X et de spectroscopie, ils ont développé une carte des microstructures cristallines dans le béton. Selon leurs recherches, une lente infusion d'eau de mer dans du béton fabriqué avec un type de cendre volcanique trouvée près de Rome crée progressivement des cristaux d'un matériau appelé tobermorite alumineuse, qui renforce en fait le béton à mesure qu'il vieillit.

Marie Jackson, professeure de recherche en géologie et géophysique et l'une des auteurs d'un rapport sur les travaux, affirme que la compréhension du béton romain pourrait donner aux scientifiques des matériaux modernes des idées sur la façon de renforcer les structures modernes, et pourrait même conduire à de nouveaux matériaux, tels que les bétons. qui absorbent et piègent les déchets nucléaires.


Béton romain

Le béton était généralement recouvert car les murs en béton étaient considérés comme inesthétiques. Les constructeurs romains ont recouvert les murs des bâtiments de pierres ou de petits blocs de tuf carrés qui formaient souvent de beaux motifs, notant que les bâtiments en béton à parement de briques étaient courants à Rome, en particulier après le grand incendie de 64 après JC.

Formule du béton romain

Voûte romaine antique en béton à Rome
CC-BY-2.0

Le béton a été fabriqué en mélangeant avec de l'eau : 1) un agrégat qui comprenait des morceaux ou de la roche, des carreaux de céramique, des morceaux de brique de constructions précédemment démolies, 2) de la poussière volcanique (appelée pouzzolane) et 3) le gypse ou la chaux. Habituellement, le mélange était un rapport de 1 partie de chaux pour 3 parties de cendres volcaniques. Pouzzolane contenait à la fois de la silice et de l'alumine et créait une réaction chimique qui renforçait la cohésion du mortier.

Il y avait de nombreuses variantes de béton et Rome a même vu la Révolution du béton qui a représenté des avancées dans la composition du béton et a permis la construction de monuments impressionnants tels que le Panthéon. Par exemple, les constructeurs romains ont découvert que l'ajout de terre cuite concassée au mortier créait un matériau imperméable qui pouvait ensuite être utilisé avec des citernes et d'autres constructions exposées à la pluie ou à l'eau.

Les Romains maîtrisaient le béton sous-marin au milieu du 1er siècle après JC. La ville de Césarée nous offre un exemple impressionnant de construction romaine. La technique de production était assez incroyable : le mélange était de la chaux à une partie pour deux parties de cendre volcanique, et il était placé dans du tuf volcanique ou de petites caisses en bois. L'eau de mer hydraterait alors la chaux et déclencherait une réaction chimique à chaud qui durcirait le béton.

Le port de Césarée avant et aujourd'hui - Robert Teringo, National Geographic Society

Le béton romain était-il meilleur que le béton moderne ?

En fait, il a été avancé que le béton utilisé par les Romains était de meilleure qualité que le béton utilisé aujourd'hui. Des recherches récentes de scientifiques américains et italiens ont montré que le béton utilisé pour fabriquer les ports romains en Méditerranée était plus résistant que le béton moderne (connu sous le nom de ciment Portland).

Le processus de production était radicalement différent. Le ciment Portland est fabriqué en chauffant des argiles et du calcaire à haute température (divers additifs sont également ajoutés) tandis que les Romains utilisaient des cendres volcaniques et une quantité beaucoup plus faible de chaux chauffée à des températures plus basses que les méthodes modernes.

Par exemple, les ports romains restent intacts aujourd'hui après 2000 ans de vagues déferlant sur les brise-lames des ports alors que le béton de Portland commence à s'éroder en moins de 50 ans de coups de mer. Le béton de la Rome antique avait également des propriétés de flexion que le béton de Portland n'a pas en raison de sa chaux et de ses cendres volcaniques, ce qui explique qu'il ne se fissure pas après quelques décennies.


La recette concrète des anciens Romains pourrait nous aider à repousser la montée des mers

Le béton romain antique était plus durable que tous ceux développés avant ou depuis. "C'est le matériau de construction le plus durable de l'histoire de l'humanité", a déclaré Philip Brune, chercheur à DuPont Pioneer qui étudie l'ingénierie des monuments romains antiques.Washington Post. "Et je dis cela en tant qu'ingénieur pas enclin à l'hyperbole."

En effet, les universitaires étudient les propriétés et le mélange chimique du béton, qui a été fabriqué avec des cendres volcaniques trouvées en Italie et est particulièrement bien adapté aux structures marines. Aujourd'hui, certains chercheurs se demandent si les secrets de cet ancien matériau de construction pourraient nous aider à nous adapter à un monde où la mer monte.

À mesure que les températures mondiales augmentent, la banquise fond et fait monter le niveau de la mer à un rythme plus rapide que pendant les années 1900. L'ampleur exacte de son élévation dépend d'un certain nombre de variables, mais il est fort probable que l'élévation du niveau de la mer nous oblige à renforcer les infrastructures autour des villes côtières. Venise est déjà en train de couler.

L'une des solutions les plus directes pour une ville côtière est de construire une digue. Ces structures n'ont pas besoin de retenir l'océan en permanence, mais sont plutôt construites pour bloquer l'eau de la ville pendant la marée haute et les tempêtes qui peuvent provoquer des inondations. Le Malecón à La Havane, à Cuba, par exemple, est une route et une digue de cinq milles de long qui protègent l'infrastructure de la ville. Les digues sont utilisées dans le monde entier dans des pays comme le Royaume-Uni et l'Australie.

Il s'avère que les anciens Romains avaient la recette parfaite pour un béton résistant à l'eau. Le matériau, appelé opus caementicium par les Romains, est fabriqué à partir d'un ciment hydraulique, ce qui signifie qu'il peut prendre sous l'eau ou dans des conditions humides. Les Romains ont mélangé ce ciment avec des cendres volcaniques trouvées dans les régions autour de la Naples moderne. Les cendres volcaniques ont ajouté un minéral appelé phillipsite au béton, et une étude publiée lundi dans l'American Mineralogist révèle que des cristaux de tobermorite alumineuse se développent dans le béton romain lorsqu'il est exposé à l'eau. Ces cristaux, pensent les scientifiques, pourraient fournir le renforcement structurel qui rend le béton romain si durable.

Entre 22 et 10 avant notre ère, les Romains ont construit une fondation en béton sous-marine pour le port de l'ancienne ville de Césarée dans ce qui est maintenant Israël. Ces structures marines sont encore intactes aujourd'hui, plus de deux millénaires plus tard. Les chercheurs qui étudient le béton romain antique suggèrent que le matériau pourrait être imité avec des ressources modernes pour construire des digues autour des villes menacées d'inondation par l'océan.

Marie Jackson, archéologue à l'Université de l'Utah, tente de recréer ce type de béton à l'aide de roches volcaniques trouvées dans l'océan autour de San Francisco. Elle note que la production artificielle de tobermorite alumineuse nécessite une grande quantité de chaleur et d'énergie simplement pour en synthétiser une petite quantité. Si nous espérons ajouter ce matériau au béton moderne, il sera probablement plus rentable de le récolter à partir de la source naturelle de chaleur et d'énergie où il se forme : les volcans.

Si les villes du monde entier sont obligées de construire des digues en raison de la montée des océans, une version en béton romain pourrait constituer une alternative aux structures en acier. Ce béton durable ne fait que durcir et devenir plus durable lorsqu'il est exposé à l'eau salée de la mer.

Pline l'Ancien, le célèbre auteur, historien et philosophe romain, a écrit une fois une ode au béton. "Dès qu'il entre en contact avec les vagues de la mer et qu'il est submergé, il devient une masse de pierre unique, imprenable aux vagues." Avec les vagues qui s'élèvent autour de nous, nous pourrions avoir plus que jamais besoin de ce béton.


Laboratoire de la nature

La province napolitaine du sud de l'Italie est un endroit idéal pour se plonger dans la science des risques naturels et comment ils ont joué dans la vie quotidienne et l'innovation au cours de milliers d'années. Densément peuplée et parsemée de dizaines de volcans, la région est l'une des plus dangereuses de la planète. Les ruines d'un port romain et de la villa d'un empereur se trouvent au large, englouties comme l'Atlantide à la suite de troubles dans la croûte terrestre. "Peu d'endroits sur Terre connaissent ce type de sismicité et de volcanisme, tout en étant une ville ancienne et fonctionnant comme une société moderne", a déclaré Vanorio. "C'est la beauté de l'endroit."

À la base des excursions du séminaire et des leçons quotidiennes de géophysique, les propriétés du béton romain et la modélisation 3D à partir d'images de drones étaient un exercice plus large pour trouver des liens entre différents domaines d'études. Ce n'est pas un hasard si les étudiants choisis pour participer au séminaire représentaient un large éventail de disciplines, notamment l'informatique, la physique, les classiques, le génie chimique et les sciences politiques.

L'ancienne ville italienne de Pozzuoli a été façonnée par l'activité volcanique. (Crédit image : Kurt Hickman)

"Peu d'endroits sur Terre connaissent ce type de sismicité et de volcanisme, tout en étant une ville ancienne et fonctionnant comme une société moderne."

—Tiziana Vanorio

Professeur assistant de géophysique

"Il y a encore des questions scientifiques auxquelles nous ne savons pas comment répondre", a déclaré Vanorio, qui a découvert des processus naturels profondément dans le sous-sol des Campi Flegrei qui reflètent ceux du béton romain, et a utilisé des textes historiques pour faire la lumière sur les forces et les caractéristiques des matériaux volcaniques et artificiels. « Plus nous exploitons les connaissances dans différentes disciplines, plus nous pouvons aborder et résoudre ces problèmes. »

Pour Amara McCune, BS '18, qui a rejoint un précédent séminaire dans la région dirigé par Vanorio en 2016, le mélange de la géophysique avec des plongées dans la culture de la région s'est avéré un mélange puissant. "La combinaison unique d'apprendre sur Pompéi, le soulèvement volcanique et Rome tout en étant sur place, en écoutant des guides locaux et en demandant à des experts archéologiques et géologiques de souligner les caractéristiques d'un emplacement conçu pour une expérience d'apprentissage incroyablement riche", a-t-elle déclaré.


Le béton d'eau de mer romain détient le secret pour réduire les émissions de carbone

Carotte de forage de mortier de chaux hydratée de cendres volcaniques de l'ancien port de Baiae dans la baie de Pozzuloi. Les inclusions jaunâtres sont de la pierre ponce, les fragments pierreux foncés sont de la lave, les zones grises sont constituées d'autres matériaux cristallins volcaniques et les taches blanches sont de la chaux. L'encart est une image au microscope électronique à balayage des cristaux spéciaux d'Al-tobermorite qui sont la clé de la qualité supérieure du béton d'eau de mer romain. (Cliquez sur l'image pour la meilleure résolution.)

Les secrets chimiques d'un brise-lames romain en béton qui a passé les 2 000 dernières années immergé dans la mer Méditerranée ont été découverts par une équipe internationale de chercheurs dirigée par Paulo Monteiro du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie, un professeur de génie civil et environnemental à l'Université de Californie, Berkeley.

L'analyse des échantillons fournis par Marie Jackson, membre de l'équipe, a permis de déterminer pourquoi le meilleur béton romain était supérieur à la plupart des bétons modernes en termes de durabilité, pourquoi sa fabrication était moins dommageable pour l'environnement - et comment ces améliorations pouvaient être adoptées dans le monde moderne.

"Ce n'est pas que le béton moderne n'est pas bon - il est si bon que nous en utilisons 19 milliards de tonnes par an", explique Monteiro. « Le problème est que la fabrication du ciment Portland représente sept pour cent du dioxyde de carbone que l'industrie rejette dans l'air. »

Le ciment Portland est la source de la « colle » qui maintient ensemble la plupart des bétons modernes. Mais sa fabrication libère du carbone provenant de la combustion du carburant, nécessaire pour chauffer un mélange de calcaire et d'argile à 1 450 degrés Celsius (2 642 degrés Fahrenheit) - et du calcaire chauffé (carbonate de calcium) lui-même. L'équipe de Monteiro a découvert que les Romains, en revanche, utilisaient beaucoup moins de chaux et la fabriquaient à partir de calcaire cuit à 900 C (1652 ˚ F) ou moins, nécessitant beaucoup moins de carburant que le ciment Portland.

La réduction des émissions de gaz à effet de serre est une incitation puissante pour trouver une meilleure façon de fournir le béton dont le monde a besoin, une autre est le besoin de bâtiments, de ponts et d'autres structures plus solides et plus durables.

«Au milieu du XXe siècle, les structures en béton étaient conçues pour durer 50 ans, et beaucoup d'entre elles sont en sursis», explique Monteiro. "Maintenant, nous concevons des bâtiments pour qu'ils durent 100 à 120 ans." Pourtant, les installations portuaires romaines ont survécu à 2000 ans d'attaques chimiques et d'action des vagues sous l'eau.

Comment les Romains l'ont fait

Les Romains fabriquaient du béton en mélangeant de la chaux et de la roche volcanique. Pour les structures sous-marines, de la chaux et des cendres volcaniques ont été mélangées pour former du mortier, et ce mortier et le tuf volcanique ont été emballés dans des formes en bois. L'eau de mer a instantanément déclenché une réaction chimique chaude. La chaux était hydratée – incorporant des molécules d'eau dans sa structure – et réagissait avec les cendres pour cimenter l'ensemble du mélange.

La baie de Pozzuoli définit la région nord-ouest de la baie de Naples. L'échantillon de béton examiné à la source lumineuse avancée par les chercheurs de Berkeley, BAI.06.03, provient du port de Baiae, l'un des nombreux sites sous-marins anciens de la région. Les lignes noires indiquent les bords de la caldeira et les zones rouges sont les cratères volcaniques. (Cliquez sur l'image pour la meilleure résolution.)

Des descriptions de cendres volcaniques ont survécu depuis les temps anciens. D'abord Vitruve, un ingénieur de l'empereur Auguste, et plus tard Pline l'Ancien a enregistré que le meilleur béton maritime était fabriqué avec des cendres provenant des régions volcaniques du golfe de Naples (Pline est mort lors de l'éruption du mont Vésuve qui a enseveli Pompéi), en particulier de sites près de la ville balnéaire d'aujourd'hui de Pozzuoli. Cendres aux caractéristiques minérales similaires, appelées pouzzolane, se trouve dans de nombreuses régions du monde.

En utilisant les lignes de lumière 5.3.2.1, 5.3.2.2, 12.2.2 et 12.3.2 à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab, ainsi que d'autres installations expérimentales à l'UC Berkeley, à l'Université des sciences et technologies King Abdullah en Arabie saoudite, et au Au synchrotron BESSY en Allemagne, Monteiro et ses collègues ont étudié le béton maritime de la baie de Pozzuoli. Ils ont découvert que le béton romain diffère du type moderne de plusieurs manières essentielles.

L'un est le type de colle qui lie les composants du béton entre eux. Dans le béton fabriqué avec du ciment Portland, il s'agit d'un composé de calcium, de silicates et d'hydrates (C-S-H). Le béton romain produit un composé très différent, avec de l'aluminium ajouté et moins de silicium. Le calcium-aluminium-silicate-hydrate (C-A-S-H) résultant est un liant exceptionnellement stable.

Sur les lignes de lumière ALS 5.3.2.1 et 5.3.2.2, la spectroscopie aux rayons X a montré que la manière spécifique dont l'aluminium se substitue au silicium dans le C-A-S-H peut être la clé de la cohésion et de la stabilité du béton d'eau de mer.

Une autre contribution marquante de l'équipe de Monteiro concerne les produits d'hydratation du béton. En théorie, le C-S-H dans le béton fabriqué avec du ciment Portland ressemble à une combinaison de minéraux en couches naturels, appelés tobermorite et jennite. Malheureusement, ces structures cristallines idéales sont introuvables dans le béton moderne conventionnel.

Cependant, la tobermorite est présente dans le mortier d'anciens bétons d'eau de mer. Des expériences de diffraction des rayons X à haute pression sur la ligne de lumière ALS 12.2.2 ont mesuré ses propriétés mécaniques et, pour la première fois, ont clarifié le rôle de l'aluminium dans son réseau cristallin. L'Al-tobermorite (Al pour l'aluminium) a une plus grande rigidité que le C-A-S-H mal cristallin et fournit un modèle pour la résistance et la durabilité du béton à l'avenir.

Enfin, des études microscopiques sur la ligne de lumière ALS 12.3.2 ont identifié les autres minéraux dans les échantillons romains. L'intégration des résultats des différentes lignes de lumière a révélé les applications potentielles des minéraux pour les bétons à hautes performances, y compris l'encapsulation de déchets dangereux.

Leçons pour l'avenir

Les bétons modernes respectueux de l'environnement contiennent déjà des cendres volcaniques ou des cendres volantes provenant de centrales électriques au charbon comme substituts partiels du ciment Portland, avec de bons résultats. Ces ciments mélangés produisent également du C-A-S-H, mais leur performance à long terme n'a pu être déterminée avant que l'équipe de Monteiro n'ait analysé le béton romain.

Leurs analyses ont montré que la recette romaine nécessitait moins de 10 pour cent de chaux en poids, fabriquée à deux tiers ou moins de la température requise par le ciment Portland. La chaux réagissant avec les cendres de pouzzolane riches en aluminium et l'eau de mer a formé du C‑A-S-H et de l'Al-tobermorite hautement stables, assurant résistance et longévité. Tant les matériaux que la manière dont les Romains les utilisaient sont des enseignements pour l'avenir.

«Pour nous, la pouzzolane est importante pour ses applications pratiques», explique Monteiro. « Il pourrait remplacer 40 % de la demande mondiale de ciment Portland. Et il y a des sources de pouzzolane partout dans le monde. L'Arabie saoudite n'a pas de cendres volantes, mais elle a des montagnes de pouzzolane.

Un béton moderne plus solide et plus durable, fabriqué avec moins de carburant et moins de rejet de carbone dans l'atmosphère, peut être l'héritage d'une meilleure compréhension de la façon dont les Romains fabriquaient leur béton incomparable.

Ce travail a été soutenu par l'Université des sciences et technologies King Abdullah, la Loeb Classical Library Foundation de l'Université Harvard et le Bureau des sciences du DOE, qui soutient également la source lumineuse avancée. Des échantillons de béton maritime romain ont été fournis par Marie Jackson et par le programme de forage ROMACONS, parrainé par CTG Italcementi de Bergame, en Italie.

Contacts scientifiques : Paulo Monteiro, [email protected], 510-643-8251 Marie Jackson, [email protected], 928-853-7967

Pour plus d'informations, lisez le communiqué de presse de l'UC Berkeley sur http://newscenter.berkeley.edu/2013/06/04/roman-concrete/.

« Propriétés matérielles et élastiques de l'Al-tobermorite dans le béton d'eau de mer romain antique », par Marie D. Jackson, Juhyuk Moon, Emanuele Gotti, Rae Taylor, Abdul-Hamid Emwas, Cagla Meral, Peter Guttmann, Pierre Levitz, Hans-Rudolf Wenk, et Paulo JM Monteiro, apparaît dans le Journal de l'American Ceramic Society.

"Déverrouiller les secrets de l'Al-tobermorite dans le béton d'eau de mer romain", par Marie D. Jackson, Sejung Rosie Chae, Sean R. Mulcahy, Cagla Meral, Rae Taylor, Penghui Li, Abdul-Hamid Emwas, Juhyuk Moon, Seyoon Yoon, Gabriele Vola, Hans-Rudolf Wenk et Paulo JM Monteiro, apparaîtront dans Minéralogiste américain.


La technologie moderne ouvre de nouvelles portes pendant la recherche

Dans un précédent projet de recherche dirigé par Jackson, l'équipe a réussi à collecter des échantillons de béton marin romain de divers ports le long de la côte italienne. Ensuite, les chercheurs ont cartographié les échantillons à l'aide d'un microscope électronique, avant d'atteindre une résolution extrêmement élevée avec la micro-diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman. Avec l'aide d'une technologie de pointe, ils ont réussi à distinguer tous les grains minéraux produits dans le béton antique au cours des siècles. "Nous pouvons aller dans les minuscules laboratoires naturels dans le béton, cartographier les minéraux présents, la succession des cristaux qui se produisent et leurs propriétés cristallographiques. C'est incroyable ce que nous avons pu trouver", a déclaré Jackson en tant que Science Rapports d'alerte.

Jackson a montré un intérêt particulier pour la présence de tobermorite alumineuse, un minéral robuste à base de silice qui est très rare et difficile à fabriquer en laboratoire, mais peut être facilement trouvé à fortes doses lorsqu'il s'agit de béton romain antique. Apparemment, la tobermorite alumineuse et un minéral similaire appelé phillipsite semblent se développer dans le béton grâce aux éclaboussures d'eau de mer qui l'entourent, dissolvant progressivement les cendres volcaniques à l'intérieur et lui donnant la possibilité de développer une structure fortifiée à partir de ces cristaux imbriqués. "Les Romains ont créé un béton semblable à de la roche qui se développe dans un échange chimique ouvert avec l'eau de mer", a déclaré Jackson, soulignant la différence gigantesque entre le béton ancien et moderne, qui, contrairement au béton romain antique, semble s'éroder lorsque l'eau salée rouille les renforts en acier et élimine les composés qui maintiennent le matériau ensemble.


Les anciens Romains ont fabriqué le béton « le plus durable » du monde. Nous pourrions l'utiliser pour arrêter la montée des mers.

Il y a deux mille ans, les constructeurs romains ont construit de vastes digues et des jetées de port. Le béton qu'ils ont utilisé a survécu à l'empire - et contient toujours des leçons pour les ingénieurs modernes, disent les scientifiques.

Un tas de structures à moitié coulées au large des côtes italiennes peut sembler moins impressionnant qu'un colisée de gladiateurs. Mais sous l'eau, la merveille est dans la matière. Le béton du port, un mélange de cendres volcaniques et de chaux vive, a résisté à la mer pendant deux millénaires. De plus, il est plus fort que lorsqu'il a été mélangé pour la première fois.

L'étoffe romaine est "un matériau extraordinairement riche en termes de possibilités scientifiques", a déclaré Philip Brune, chercheur à DuPont Pioneer qui a étudié les propriétés techniques des monuments romains. "C'est le matériau de construction le plus durable de l'histoire de l'humanité, et je dis cela en tant qu'ingénieur non sujet aux hyperboles."

En revanche, le béton moderne exposé à l'eau salée se corrode en quelques décennies.

Le mystère a été de savoir pourquoi l'ancien matériau a perduré. "Les archéologues diront qu'ils ont la recette", a déclaré Marie Jackson, experte en béton romain antique à l'Université de l'Utah. (Pline l'Ancien a écrit une fois une ode au béton « qui dès qu'il entre en contact avec les vagues de la mer et est submergé devient une seule masse de pierre, imprenable aux vagues. ») Mais ce n'est pas le tableau complet : c'est un chose pour assembler les ingrédients, une autre pour savoir comment faire cuire le gâteau.

À cette fin, Jackson et ses collègues ont scruté les structures microscopiques d'échantillons de béton, extraits des digues et des jetées dans le cadre d'un projet appelé Roman Maritime Concrete Study. "Ce béton semblable à de la roche se comporte, à bien des égards, comme des dépôts volcaniques dans des environnements sous-marins", a déclaré Jackson.

Là où le béton moderne est conçu pour ignorer l'environnement, le béton romain l'embrasse. Comme le rapportent les scientifiques dans une étude publiée lundi dans la revue American Mineralogist, le béton romain est rempli de minuscules cristaux en croissances. Les cristaux, comme de minuscules plaques de blindage, peuvent empêcher le béton de se fracturer.

Les scientifiques ont soumis les échantillons de béton à une batterie de techniques d'imagerie avancées et de tests spectroscopiques. Les tests ont révélé une réaction chimique rare, avec des cristaux de tobermorite alumineuse provenant d'un autre minéral appelé phillipsite. Brune, qui n'a pas participé à l'étude, a qualifié le travail de « réalisation importante ». Il a comparé cela aux scientifiques mordant dans un gâteau au goût mystérieux et déterminant que le boulanger utilisait du chocolat noir de source biologique.

Dans ce cas, l'ingrédient clé s'est avéré être l'eau de mer. Alors que l'eau de mer s'infiltrait dans les minuscules fissures du béton romain, a déclaré Jackson, elle a réagi avec la phillipsite naturellement présente dans la roche volcanique et a créé les cristaux de tobermorite.

"La tobermorite alumineuse est très difficile à produire", a-t-elle déclaré, et nécessite des températures très élevées pour synthétiser de petites quantités. Le calage des anciens Romains pourrait conduire à une meilleure production de tobermorite, qui est prisée pour ses applications industrielles, a-t-elle noté.

Les Romains extrayaient un type spécifique de cendres volcaniques d'une carrière en Italie. Jackson tente de recréer ce béton durable en utilisant de l'eau de mer de San Francisco et des roches volcaniques plus abondantes. Elle a plusieurs échantillons dans des fours et des bocaux dans son laboratoire, qu'elle testera pour rechercher des preuves de réactions chimiques similaires.


Pourquoi le béton romain vieux de 2 000 ans est bien meilleur que ce que nous produisons aujourd'hui

L'un des mystères fascinants de la Rome antique est la longévité impressionnante de certaines de leurs structures portuaires en béton. Battues par les vagues de la mer pendant 2 000 ans, ces choses sont toujours là alors que nos concoctions modernes s'érodent en quelques décennies.

Maintenant, les scientifiques ont découvert l'incroyable chimie derrière ce phénomène, se rapprochant de débloquer sa recette perdue depuis longtemps. Il s'avère que non seulement le béton romain est plus durable que ce que nous pouvons fabriquer aujourd'hui, mais il devient plus forte heures supplémentaires.

Des chercheurs dirigés par la géologue Marie Jackson de l'Université de l'Utah ont ébranlé les mystères du béton romain pendant des années, et maintenant ils ont cartographié sa structure cristalline, déterminant précisément comment cet ancien matériau se solidifie au fil du temps.

Le béton moderne est généralement fabriqué avec du ciment Portland, un mélange de sable de silice, de calcaire, d'argile, de craie et d'autres ingrédients fondus ensemble à des températures fulgurantes. Dans le béton, cette pâte lie les « agrégats » - des morceaux de roche et de sable.

Ce granulat doit être inerte, car toute réaction chimique indésirable peut provoquer des fissures dans le béton, entraînant l'érosion et l'effritement des structures. C'est pourquoi le béton n'a pas la longévité des roches naturelles.

Mais ce n'est pas ainsi que fonctionne le béton romain.

Le leur a été créé avec des cendres volcaniques, de la chaux et de l'eau de mer, tirant parti d'une réaction chimique que les Romains ont pu observer dans des dépôts de cendres volcaniques naturellement cimentés appelés roches de tuf.

Mélangé au mortier de cendres volcaniques, il y avait plus de roche volcanique sous forme d'agrégat, qui continuerait ensuite à réagir avec le matériau, rendant finalement le ciment romain beaucoup plus durable que vous ne le pensez.

Dans un précédent projet de recherche dirigé par Jackson, l'équipe avait déjà collecté des échantillons de béton marin romain de plusieurs ports le long de la côte italienne.

Forage d'échantillons de béton romain en Toscane, 2003. Photo : J. P. Oleson

Les chercheurs ont maintenant cartographié les échantillons à l'aide d'un microscope électronique, avant d'atteindre une résolution extrêmement élevée avec la microdiffraction des rayons X et la spectroscopie Raman. Grâce à ces techniques avancées, ils ont pu identifier tous les grains minéraux produits dans le béton antique au cours des siècles.

"Nous pouvons aller dans les minuscules laboratoires naturels du béton, cartographier les minéraux présents, la succession des cristaux qui se produisent et leurs propriétés cristallographiques", explique Jackson.

"C'est incroyable ce que nous avons pu trouver."

Jackson était particulièrement intéressé par la présence de tobermorite alumineuse, un minéral robuste à base de silice qui est en fait assez rare et difficile à fabriquer en laboratoire, mais qui est pourtant abondant dans le béton ancien.

Il s'avère que la tobermorite alumineuse et un minéral connexe appelé phillipsite se développent réellement dans le béton grâce au ballottement de l'eau de mer qui l'entoure, dissolvant lentement les cendres volcaniques à l'intérieur et lui donnant l'espace nécessaire pour développer une structure renforcée à partir de ces cristaux imbriqués.

"Les Romains ont créé un béton semblable à de la roche qui se développe dans un échange chimique ouvert avec l'eau de mer", explique Jackson.

C'est assez fou, et c'est exactement le contraire de ce qui se passe dans le béton moderne, qui s'érode lorsque l'eau salée rouille les renforts en acier et élimine les composés qui maintiennent le matériau ensemble.

Fabriquer du béton comme le faisaient autrefois les Romains serait une aubaine pour l'industrie du bâtiment moderne, en particulier en ce qui concerne les structures côtières, comme les jetées constamment battues par les vagues ou les lagunes fantaisistes à marée pour exploiter l'énergie des vagues.

Mais malheureusement, les recettes ont été perdues avec le temps, donc notre seule chance de recréer le matériau ancien est de le désosser en fonction de ce que nous savons de ses propriétés chimiques.

Et ce n'est pas comme si nous pouvions remplacer tout le ciment du monde par des trucs historiques, car nous ne pouvons pas partout accéder aux bons ingrédients volcaniques.

"Les Romains ont eu de la chance dans le type de roche avec lequel ils ont dû travailler", explique Jackson. "Nous n'avons pas ces roches dans une grande partie du monde, il faudrait donc faire des substitutions."

But if Jackson and her colleagues can crack the recipe, modern marine engineers could tap into the potential of a material that doesn't need steel reinforcements, can last for centuries, and makes fewer carbon emissions to boot.


Scientists have long puzzled over the elusive recipe for ancient Roman concrete, which has withstood the test of time better than any of the concrete that’s been poured in the 20th century. Now, Time reports that Maria Jackson from the University of Utah claims to have unravelled the mystery, and furthermore believes that the ancient Roman process could influence modern-day construction.

Jackson’s findings, published in American Mineralogist, claim the unbreakable strength of ancient Roman concrete is due to a rare chemical reaction that takes place when the mineral aluminium tobermorite is exposed to sea water. The reaction strengthens the mortar and prevents cracks from forming or widening.

The longer the concrete is submerged in sea water, the stronger it becomes, as a mineral mixture of silica oxides and lime grows between the volcanic rock aggregate, which in turns hardens all the components into a single, unyielding piece. Jackson explained how this is different from our current concrete to Time:

This may explain the ancient observation of the Roman scientist Pliny the Elder, who wrote in 79 AD that the concrete, “as soon as it comes into contact with the waves of the sea and is submerged, becomes a single stone mass, impregnable to the waves and every day stronger.”

The Pantheon in Rome, still in use over 2,000 years after it was built, is a testament to the strength of ancient Roman concrete. Once a Roman temple, it has been in continuous use throughout history, and since the 7th century has been used as a church dedicated to “St. Mary and the Martyrs.”

Jackson notes that the Roman process was actually much more eco-friendly than our modern method, which is known to produce carbon dioxide. She believes that the old ways of concrete production could teach us a lot, but she notes that the ancient Romans had a greater access to volcanic ash, a primary ingredient, than most countries do today.

Jackson said she is currently experimenting with several substances that could act as a substitute for volcanic ash in the concoction, which would also require lime, sea water, and aluminium tobermorite. She has also proposed that the construction of a planned tidal lagoon in the United Kingdom utilize the ancient Roman concrete in place of steel.

She said that the ancient concrete would be ideal for the tidal lagoon, as the concrete would strengthen with the tide, rather than deteriorating over time. However, she did note that it would take about 120 years to know if the recipe will stand the test of time as well as that of the Romans.

Either way, she believes the ancient concrete would last at least twice as long as our modern concrete.

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New studies of ancient concrete could teach us to do as the Romans did

ROMACONS drilling at a marine structure in Portus Cosanus, Tuscany, 2003. Drilling is by permission of the Soprintendenza Archeologia per la Toscana. Credit: J.P. Oleson

Around A.D. 79, Roman author Pliny the Elder wrote in his Naturalis Historia that concrete structures in harbors, exposed to the constant assault of the saltwater waves, become "a single stone mass, impregnable to the waves and every day stronger."

He wasn't exaggerating. While modern marine concrete structures crumble within decades, 2,000-year-old Roman piers and breakwaters endure to this day, and are stronger now than when they were first constructed. University of Utah geologist Marie Jackson studies the minerals and microscale structures of Roman concrete as she would a volcanic rock. She and her colleagues have found that seawater filtering through the concrete leads to the growth of interlocking minerals that lend the concrete added cohesion. The results are published today in American Mineralogist.

Roman concrete vs. Portland cement

Romans made concrete by mixing volcanic ash with lime and seawater to make a mortar, and then incorporating into that mortar chunks of volcanic rock, the "aggregate" in the concrete. The combination of ash, water, and quicklime produces what is called a pozzolanic reaction, named after the city of Pozzuoli in the Bay of Naples. The Romans may have gotten the idea for this mixture from naturally cemented volcanic ash deposits called tuff that are common in the area, as Pliny described.

The conglomerate-like concrete was used in many architectural structures, including the Pantheon and Trajan's Markets in Rome. Massive marine structures protected harbors from the open sea and served as extensive anchorages for ships and warehouses.

Modern Portland cement concrete also uses rock aggregate, but with an important difference: the sand and gravel particles are intended to be inert. Any reaction with the cement paste could form gels that expand and crack the concrete.

"This alkali-silica reaction occurs throughout the world and it's one of the main causes of destruction of Portland cement concrete structures," Jackson says.

A video abstract of the remarkable properties of Roman concrete. Credit: University of Utah

Rediscovering Roman concrete

Jackson's interest in Roman concrete began with a sabbatical year in Rome. She first studied tuffs and then investigated volcanic ash deposits, soon becoming fascinated with their roles in producing the remarkable durability of Roman concrete.

Along with colleagues, Jackson began studying the factors that made architectural concrete in Rome so resilient. One factor, she says, is that the mineral intergrowths between the aggregate and the mortar prevent cracks from lengthening, while the surfaces of nonreactive aggregates in Portland cement only help cracks propagate farther.

In another study of drill cores of Roman harbor concrete collected by the ROMACONS project in 2002-2009, Jackson and colleagues found an exceptionally rare mineral, aluminous tobermorite (Al-tobermorite) in the marine mortar. The mineral crystals formed in lime particles through pozzolanic reaction at somewhat elevated temperatures. The presence of Al-tobermorite surprised Jackson. "It's very difficult to make," she says of the mineral. Synthesizing it in the laboratory requires high temperatures and results in only small quantities.

For the new study, Jackson and other researchers returned to the ROMACONS drill cores, examining them with a variety of methods, including microdiffraction and microfluorescence analyses at the Advanced Light Source beamline 12.3.2 at Lawrence Berkeley National Laboratory. They found that Al-tobermorite and a related zeolite mineral, phillipsite, formed in pumice particles and pores in the cementing matrix. From previous work, the team knew that the pozzolanic curing process of Roman concrete was short-lived. Something else must have caused the minerals to grow at low temperature long after the concrete had hardened. "No one has produced tobermorite at 20 degrees Celsius," she says. "Oh—except the Romans!"

"As geologists, we know that rocks change," Jackson says. "Change is a constant for earth materials. So how does change influence the durability of Roman structures?"

The team concluded that when seawater percolated through the concrete in breakwaters and in piers, it dissolved components of the volcanic ash and allowed new minerals to grow from the highly alkaline leached fluids, particularly Al-tobermorite and phillipsite. This Al-tobermorite has silica-rich compositions, similar to crystals that form in volcanic rocks. The crystals have platy shapes that reinforce the cementing matrix. The interlocking plates increase the concrete's resistance to brittle fracture.

This microscopic image shows the lumpy calcium-aluminum-silicate-hydrate (C-A-S-H) binder material that forms when volcanic ash, lime, and seawater mix. Platy crystals of Al-tobermorite have grown amongst the C-A-S-H cementing matrix. Credit: Marie Jackson.

Jackson says that this corrosion-like process would normally be a bad thing for modern materials. "We're looking at a system that's contrary to everything one would not want in cement-based concrete," she says. "We're looking at a system that thrives in open chemical exchange with seawater."

Modern Roman concrete

Given the durability advantages of Roman concrete, why isn't it used more often, particularly since manufacturing of Portland cement produces substantial carbon dioxide emissions?

"The recipe was completely lost," Jackson says. She has extensively studied ancient Roman texts, but hasn't yet uncovered the precise methods for mixing the marine mortar, to fully recreate the concrete.

"Romans were fortunate in the type of rock they had to work with," she says. "They observed that volcanic ash grew cements to produce the tuff. We don't have those rocks in a lot of the world, so there would have to be substitutions made."

She is now working with geological engineer Tom Adams to develop a replacement recipe, however, using materials from the western U.S. The seawater in her experiments comes from the Berkeley, California, marina, collected by Jackson herself.

Roman concrete takes time to develop strength from seawater, and features less compressive strength than typical Portland cement. For those reasons, it's unlikely that Roman concrete could become widespread, but could be useful in particular contexts.

Jackson recently weighed in on a proposed tidal lagoon to be built in Swansea, United Kingdom, to harness tidal power. The lagoon, she says, would need to operate for 120 years to recoup the costs incurred to build it. "You can imagine that, with the way we build now, it would be a mass of corroding steel by that time." A Roman concrete prototype, on the other hand, could remain intact for centuries.

Jackson says that while researchers have answered many questions about the mortar of the concrete, the long-term chemical reactions in the aggregate materials remain unexplored. She intends to continue the work of Pliny and other Roman scholars who worked assiduously to discover the secrets of their concrete. "The Romans were concerned with this," Jackson says. "If we're going to build in the sea, we should be concerned with it too."


Voir la vidéo: Mortier Romain (Juin 2022).