Une visite de Rome ne serait pas complète sans avoir vu le Panthéon, les Marchés de Trajan, le Colisée, ou bien encore les exemples spectaculaires d'anciens monuments Romains en béton qui ont résisté à l'épreuve du temps et des éléments pendant presque 2000 ans.
Une découverte clé, pour comprendre la longévité et l'endurance de l'architecture en béton des romains, a été faite grâce à une collaboration internationale et interdisciplinaire de chercheurs. Il ont utilisé des faisceaux de rayons-X à l'ALS (Advanced Light Source) du département américain de l'énergie du Laboratoire National Lawrence Berkeley (Berkeley Lab).
L'équipe de recherche a étudié la reproduction d'un mortier Romain fait de chaux et de cendres volcaniques. Il avait auparavant été soumis à des tests de fracture à l'Université Cornell.
Dans les murs en béton des Marchés de Trajan, construits aux alentours de 110 de l'Ere Commune, ce mortier lie des fragments de tuf et de briques de la taille d'un galet.
A travers l'observation des changements minéralogiques qui ont eu lieu dans le durcissement du mortier sur une période de 180 jours, et en comparant les résultats avec les échantillons originaux vieux de 1900 ans, l'équipe a découvert qu'un hydrate cristallin de liaison empêchait la propagation des microfissures.
"Le mortier résiste aux microfissures grâce à la cristallisation du stratlingite lamellaire, un minéral durable de calcium-aluminosilicate qui renforce les zones interfaciales et le moule en ciment" explique Marie Jackson, scientifique de faculté à l'Université de Californie Berkeley, "les enchevêtrements denses des cristaux lamellaires empêchent la propagation de la fissure et préserve la cohésion à l'échelle du micron; cela permet au béton de maintenir sa résistance chimique et son intégrité structurelle dans un environnement sismique actif à l'échelle millénaire."
Jackon, volcanologue de formation et qui avait conduit une étude à l'ALS sur le béton Romain en eau de mer, est l'auteur principal d'un article décrivant cette étude dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) et intitulé: "Mechanical Resilience and Cementitious Processes in Imperial Roman Architectural Mortar" (Résistance mécanique et processus cimentaire dans le mortier architectural Romain").
Les co-auteurs sont Eric Landis, Philip Brune, Massimo Vitti, Heng Chen, Qinfei Li, Martin Kunz, Hans-Rudolf Wenk, Paulo Monteiro et Anthony Ingraffea.
Les mortiers qui lient les composites en béton utilisés pour bâtir les structures de la Rome Impériale sont d'un grand intérêt scientifique, pas seulement pour leur résistance et durabilité inégalée, mais aussi pour les avantages environnementaux qu'ils offrent.
La plupart des bétons modernes sont des ciments Portland à base de calcaire. La fabrication de ciment Portland nécessite le chauffage d'une mélange de calcaire et d'argile à 1450 degrés Celsius, un procédé qui relâche beaucoup de carbone (19 billions de tonnes de ciment Portland utilisés annuellement): cela représente 7% du total des émissions carbone émis dans l'atmosphère chaque année.
Le mortier architectural Romain, par contraste, est un mélange de 85% (du volume) de cendres volcaniques, d'eau et de chaux, le tout chauffé à une température bien inférieure que le ciment de Portland.
Les morceaux grossiers de tuf volcanique et de brique composent 45 à 55% du ciment. Le résultat est une réduction significative des émissions carbone.
"Si nous pouvons trouver des façons d'incorporer un composant volumétrique substantiel de roche volcanique dans la production de certains bétons, nous pourrions réduire les émissions carbone lors de leur production et aussi améliorer leur durabilité et résistance mécanique à travers le temps" dit Jackson.
Dans le cadre de leur étude, Jackson et ses collaborateurs de L'université de Berkeley ont utilisé l'ALS beamline 12.3.2 (une ligne de pliage-aimant) pour faire des mesures de micro-diffractions des rayon X de tranches de mortier Romain épaisses de seulement 0.3mm.
"Nous avons obtenu des diffractogrammes de rayon X pour de nombreux points différents au sein d'une microstructure de ciment donné" ajoute Jackson, "cela nous a permis de détecter des changements dans les assemblages minéraux, nous donnant des indications des processus chimiques actifs sur de très petites surfaces".
Les changements minéralogiques que Jackson et ses collaborateurs ont observé montrent que la reproduction du mortier gagne en force et endurance sur 180 jours au fur et à mesure que le calcium-aluminium-silicate-hydrate liant la cimentation fusionne et que les cristaux de stratlingite grandissent dans les zones interfaciales entre les scories volcaniques et le mortier.
Les cristaux de stratlingite ne montrent pas de corrosion et leur surface lisse suggère une stabilité à long terme, similaire au stratlingite géologique qui perdure pendant des centaines ou des milliers d'années.
"La cristallisation in situ des cristaux de stratlingite produit des zones interfaciales qui sont très différentes de toute les microstructures interfaciales observées dans les bétons en ciment de Portland" ajoute Jackson, "la grande porosité le long des zones interfaciales des agrégats inertes dans le béton en ciment de Portland donne des sites où des fissures nucléent et se propagent"
Pour Jackson, le prochain défi pour les chercheurs sera "de trouver des façons d'activer ces agrégats, comme des scories ou des cendres volcaniques, dans des bétons innovants afin que cela développe les renforcements des stratlingites dans les zones interfaciales comme dans les mortiers architecturaux Romains".
Source:
- Eurekalert: "Back to future with Roman architectural concrete"
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