Le Béton Romain et ses insaisissables secrets

Le béton romain est un matériau à base de chaux très ancien. Malgré ses +2000 ans d’existence, il continue de fasciner les chercheurs par sa haute résistance et sa durabilité.

Aujourd’hui, le secret de composition du béton romain est remis au goût du jour car il s’avère, dans bien des cas, plus résistant et durable que le ciment Portland utilisé dans le bâtiment actuellement. Cela avec moins de cuisson et d’adjuvants douteux ce qui veut dire : « green and bling-bling » !

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panteon beton romain beton romain

Du béton romain au panthéon de Rome

 

Le ciment romain a été utilisé pour l’enduisage des citernes d’eau, le mortier des aqueducs ou la construction de ports.

Il a même été utilisé coulé pour réaliser le plus grand dôme non armé de l’histoire humaine : le Panthéon.

 

Comment ce matériau artificiellement créé par l’homme a-t-il résisté aux forces de la nature et notamment aux assauts incessants des vagues pendant plus de 2000 ans ???

C’est un mystère que l’on commence apparemment à percer aujourd’hui.

 

beton romain et ponts actuels

Le pont Morandini de Gênes qui s’effondra en août 2018 n’avait que 51 ans de service !

Imagine que les digues en béton ont une duré de vie estimée de 50 ans et les barrages de tout juste plus d’un siècle.

Je ne parle bien entendu pas des ponts en béton de ciment qui s’écroulent au rythme d’un tous les 5 ans actuellement.

 

Le pont Morandini de Gênes qui s’effondra en août 2018 n’avait que 51 ans de service !

 

 

sans beton romain

Ponts en béton écroulés depuis l’année 2000

 

Le plus incroyable est que tout le monde est à peu près d’accord pour dire que non seulement ces édifices en béton romain sont extrêmement solides mais en plus, ils continuent mystérieusement à se solidifier et à se stabiliser au fil du temps !!!  (⊙…⊙ )

 

Étrangement, selon une étude de 2017 ce serait l’eau de mer qui provoquerait une réaction chimique avec les agrégats volcaniques constituant le ciment romain. Cette réaction imprévue génèrerait deux nouveaux cristaux : la tobermorite et la phillipsite. Ces dernières, par leurs formes inédites

renforceraient le béton dans sa structure.

 

 

 

Comment ça marche ?

 

Oulaaa.. c’est un peu compliqué !

 

D’une part parce que les traductions de textes anciens en latin évoquent des termes et des procédures sur lesquels les traducteurs et les bâtisseurs actuels n’arrivent pas à s’entendre.

D’autre part, parce que l’œil scientifique que nous posons dessus aujourd’hui en fait un sujet de chimie complexe et technique.

Du coup, si on n’est pas un peu curieux, le sujet invite plutôt à aller jouer avec ses crottes de nez en regardant D8… mais bon, on va essayer de vulgariser un peu toute cette affaire.

 

 

 

Les trois épices magiques des bétons romains

 1) La pouzzolane

 

Un des secrets du béton romain était le mélange de chaux et de pouzzolane, appelé harena fossicia par Vitruve. Ce dernier avait compris que les sables incorporés dans les mortiers chaux sable, ne se contentent pas d’être des charges. Ils peuvent contribuer à une réaction chimique favorable : la prise pouzzolanique !

 

“Il existe également une sorte de poudre qui produit naturellement des résultats étonnants. Elle se trouve dans les environs de Baïe et dans le pays des villes situées autour du Vésuve. Cette substance, une fois mélangée avec de la chaux et des gravats, non seulement apporte de la résistance aux bâtiments, mais même lorsque des piliers de ce type sont construits en mer, ils sont capables de durcir sous l’eau. “

Vitruve, Les 10 livres de l’architecture, Livre II Chapitre 6 . ~15 av. JC

 

 

 « C’est dans cette dernière catégorie (harena fossicia) que se place une sorte de sable aux caractéristiques pétrographiques bien définies, la pouzzolane, forme meuble d’un tuf volcanique (puluis puteolanus). Le mot vient de la ville de Pouzzoles, source normale d’approvisionnement pour les Romains; mais des roches analogues, provenant de Santorin, ou d’ailleurs, possèdent la même propriété de donner, mélangées  à la chaux, des silicates qui font prise sous l’eau »

Ginouvès, R. Martin, Dictionnaire méthodique de l’architecture grecque et romaine, 1985

 

 

Chez Vitruve, la pouzzolane se distingue des sables de rivière et des sables marins (harena fluuiatica et harena marina) et hérite son nom contemporain de la ville de Pouzzoles dans la baie de Naples, à seulement quelques kilomètres à l’est du mont Vésuve.

 

Toute la région est fortement recouverte de couches épaisses de pouzzolane, de pierre ponce volcanique et de cendres d’éruptions précédentes. Outre Pouzzoles, Vitruve mentionne des dépôts de sable de la fosse au mont Etna et des preuves indiquent que l’exploitation romaine du trass, une pierre sédimentaire de cendres volcaniques légèrement compactées ayant des propriétés similaires.

 

Pouzzolane beton romain

Pouzzolane

La cendre volcanique constituant la pouzzolane est riche en silice amorphe et en alumine.

 

«Amorphe» signifie littéralement «sans forme». Dans la plupart des conditions naturelles, la silice s’organise en un état cristallin hautement stable et non réactif, tel que le sable ou le quartz.

Cependant, avec les débris explosifs de certaines éruptions volcaniques, la silice fondue désorganisée est finement dispersée dans l’atmosphère où elle se refroidit rapidement avant d’avoir le temps de se cristalliser et se  précipite sous forme de cendres fines.

Ces cendres sont relativement inertes par elles-mêmes ou même en présence d’eau. Par contre, mélangées avec de la chaux, le mortier résultant “se réveille” en un ciment romain dépassant bon nombre des propriétés du ciment contemporain.

 

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2) La « cocciopesto », terre cuite pilée

 

Le terme « pouzzolanes » s’est étendu aujourd’hui aux agrégats et aux poudres fabriqués par l’homme et ayant un effet « pouzzolanique » (hydraulique) lorsqu’ils sont mélangés à la chaux.

 

Pline l’Ancien en a cité un qui a été très utilisé par les Romains il y a plus de deux mille ans :

« Il existe trois types de sable. Le sable qui a été extrait (pouzzolane) nécessite un quart de son poids en calcaire, alors que le sable de rivière ou le sable de mer en nécessite un tiers. Si l’on ajoute également un tiers de terre pilée, le mortier sera amélioré. »

Pline l’Ancien, Historia Naturalis, ~77 ap.JCC

 

beton romain et Sol en cocciopesto

Sol en cocciopesto

 

L’amélioration dont il parle est l’action hydraulique conférée par de la terre cuite finement broyée dans le mortier de chaux. Utilisée depuis des millénaires cette technique se retrouve chez les Minoens, les Grecs, les Romains, les Indiens et Égyptiens.

 

En Vénétie, on l’appelle «cocciopesto», désignant littéralement la terre «cuite et écrasée». La chaux de Cocciopesto a été traditionnellement utilisée pour les stucs, ainsi que pour les sols en chaux à Venise et confère une résistance supérieure à l’attaque incessante de sels aux abords de la lagune de Venise.

 

 

 

Les mortiers de chaux et terre cuite moulue ne sont pas aussi imperméables à l’eau, ni aussi durs que les bétons romains mais sont très utiles pour les applications d’enduits et de stuc.

 

 

 3) L’eau de mer

L’utilité de l’eau dans les bétons n’est plus à démontrer pour

  • Rendre plastique les mélanges poudreux (chaux sable)
  • Assurer le transfert du CO2 permettant la carbonatation
  • Permettre la prise de la chaux hydraulique en cristallisant les silicates et les aluminates.

 

Mais la dernière subtilité que semblaient maîtriser les romains est l’utilisation d’eau de mer dans leur fameux béton romain.

 

« On a presque toujours défendu l’utilisation d’eau de mer dans la fabrication des mortiers ; cependant, ce principe ne doit pas être absolu. Il est certain que le mortier fait avec cette eau a une prise plus lente et produit à la surface de la maçonnerie, pendant assez longtemps, des efflorescences salines qui doivent, en tout état de cause empêcher d’employer l’eau de mer pour le mortier destiné à bâtir les lieux d’habitation. Pourtant, ces inconvénients seraient sans importance pour des maçonneries de rempart et autres revêtements ; et si l’eau de mer donnait une plus grande solidité aux mortiers à la chaux, on devrait l’employer, dans ce dernier cas de préférence… Dans la construction de plusieurs fronts de fortifications baignées par la mer, on a employé, pour la fabrication du mortier, soit de strass ordinaire, que de l’eau de mer, et, en peu de temps, ces mortiers ont pris une dureté telle que les vagues, qui usaient et corrodaient les briques, n’avaient aucune action sur les joints qui formaient comme autant de bourrelets encadrant chaque brique de parement… »

Nouveau manuel complet du chaufournier, Valentin Biston, 1850

 

Le béton romain et le béton grec

citerne beton romain

Citerne d’eau de pluie grecque

 

Bien que les Romains soient généralement reconnus pour avoir inventé le ciment à base de pouzzolane, il existe des preuves archéologiques montrant que les Grecs utilisaient leur propre mortiers pouzzolaniques.

Des vestiges datant de 600 ans av. J.-C., ont été retrouvés à Thera (île de Santorin). Ils constituaient des citernes à eau ainsi que des murs anciens.

 

 

Les pouzzolanes industrielles modernes

En 1818, Louis Vicat étend la définition de la pouzzolane à toute matière auxquelles le feu apporter les qualités des pouzzolanes volcaniques. 

Aujourd’hui, de nombreuses pouzzolanes ont été découvertes, beaucoup d’entre elles étant des sous-produits de l’industrie. Pour la plupart, elles sont utilisées comme additifs au ciment Portland et à d’autres ciments artificiels. Elles modifient ou améliorent leur densité, leur temps de durcissement, leur perméabilité et leur résistance à la compression.

Cependant, les recherches en cours donnent quelques applications prometteuses pour une utilisation avec les mortiers et les enduits de chaux.

Une grande variété de propriétés peut résulter de la formulation d’un mortier pouzzolanique. Selon la quantité de pouzzolane ajoutée et selon le type de chaux à laquelle on l’ajoute (chaux vive, de la chaux dolomitique ou de la chaux hydraulique), le résultat obtenu évoluera significativement.

Un examen approfondi de ces variations dépasse le cadre de mes compétences ; cependant, je vais essayer de prendre en compte les propriétés de base de quelques-unes des pouzzolanes les plus couramment disponibles.

 

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Le laitier

En métallurgie, le laitier est un co-produit de l’élaboration du métal. Il représente des impuretés dans le minerai de fer qui remontent à la surface quand celui-ci est en fusion.

Ces impuretés sont composées essentiellement de silicates, d’aluminates et de chaux, avec divers oxydes métalliques. La température élevée ouvre les silicates et les aluminates à un état réactif amorphe que le refroidissement rapide préserve.

En raison de la présence à la fois de chaux et de composés réactifs, le laitier est la seule des pouzzolanes à posséder déjà ses propres propriétés « cimenteuses » lorsqu’elle est broyée en une poudre fine.

 

Les cendres combustibles

Les cendres combustibles pulvérisées sont les particules les plus fines d’argile en suspension générés par les centrales à charbon.

Alors que ces cendres se répandaient initialement dans l’atmosphère, les réglementations environnementales exigent désormais une filtration stricte. La composition précise des cendres volantes varie en fonction de la composition minérale et de l’infiltration d’argile des gisements.

 

Le métakaolin

Le métakaolin est un aluminosilicate réactif issu de la combustion et du broyage du kaolin blanc. Contrairement aux autres pouzzolanes artificielles, il ne s’agit pas d’un sous-produit de l’industrie. Il est fabriqué intentionnellement selon des normes cohérentes. C’est la plus réactive des pouzzolanes industrielles.

beton romain metakaolin

La fumée de silice

La fumée de silice est une microsilice de très haute qualité extraite des gaz d’échappement de fours à arc électrique produisant des alliages de silicium ou de ferrosilicium nécessaires aux semi-conducteurs. Contrairement aux pouzzolanes susmentionnées, elle est presque exclusivement composée de silicates.

 

La cendre de coque de riz

La cendre de coque de riz est un sous-produit important de la production de riz industriel. Le riz absorbe naturellement la silice du sol et une quantité énorme de suie riche en silice est générée lors du processus de broyage. Comme les fumées de silice, les cendres de coque de riz sont principalement composées de silicates.

Toutes ces substance pouzzolaniques ont des propriétés apparentées, même si légèrement différentes. Elles réagissent avec la chaux pour produire des mortiers et des bétons, dont certains ressemblent beaucoup aux ciments romains traditionnels.

 

 

Quod erat demonstrandum (ce qu’il fallait démontrer)

 

Pour finir je t’invite à consulter les travaux du professeur Davidovits qui a beaucoup étudié les pratiques de géo-polymérisation comparables au béton romain dans plusieurs cultures de bâtisseurs autour du monde. Une de ses théories suggère que les égyptiens eurent également recours à ces procédés pour l’élaboration in-sito des pierres monumentales de certaines pyramides.

Manuel Chauffournier beton romain

Une fois n’est pas coutume, je salue également Google qui permet l’accès à des œuvres anciennes via GoogleBooks :

Nouveau manuel complet du chaufournier, Valentin Biston

Dictionnaire méthodique de l’architecture grecque et romaine, R. Ginouvès, R. Martin,

Recherches sur les préparations que les romains donnaient à la chaux, De La faye

L’art de composer des pierres factices aussi dures que le caillou, Fleuret

Abregé des dix livres d’architecture, Vitruve

Historia Naturalis, Pline l’Ancien

Et mille autres encore…

 

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Au plaisir 😉 !

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