Les Romains étaient, pour reprendre une analogie, maîtres du mortier. De véritables génies de l'ingénierie. Grâce à leurs compétences architecturales exceptionnelles, ils ont créé de vastes réseaux de routes, d'aqueducs, d'amphithéâtres, de ports et de ponts avec une telle expertise que nombre de ces ouvrages ont subsisté jusqu'à nos jours. Le Colisée, par exemple, monument emblématique de la Rome antique, a vu sa construction débuter en 70 après J.-C., s'achever dix ans plus tard, et il se dresse encore aujourd'hui, symbole de cette civilisation.
L'Espagne offre également de beaux exemples : le théâtre romain de Mérida, véritable joyau parmi les monuments de la ville, fut inauguré entre 16 et 15 av. J.-C. et accueille encore aujourd'hui des spectacles et des concerts. Quant au théâtre romain de Carthagène, construit entre 5 et 1 av. J.-C., il a conservé une grande partie de sa structure dans un état de conservation remarquable. À l'inverse, de nombreuses constructions modernes se sont effondrées après seulement quelques décennies.
Depuis des décennies, la science tente d'expliquer comment les Romains sont parvenus à ériger des structures aussi résistantes il y a des milliers d'années. Ces constructions, dans certains cas, ont supporté des tonnes ; dans d'autres, elles ont été bâties dans des zones sismiques et ont résisté à l'épreuve du temps et à l'activité sismique provenant des profondeurs de la Terre.
Une équipe internationale de chercheurs du MIT, de l'université Harvard et de divers laboratoires italiens et suisses vient de percer le mystère de la résistance du béton romain. Selon l'étude, récemment publiée dans la revue Science Advances, les Romains utilisaient des techniques de fabrication permettant d'obtenir une masse ultra-résistante, conférant à leurs constructions une solidité remarquable grâce à un processus d'« auto-réparation ».
Pendant longtemps, les chercheurs ont soupçonné que la résistance et la durabilité du béton romain résidaient dans un ingrédient essentiel : l’utilisation de matériaux pouzzolaniques – contenant de la silice – comme les cendres volcaniques de la région de Pouzzoles, au nord de Naples. Ces cendres étaient expédiées dans tout l’Empire romain pour la construction. De fait, de nombreux architectes et historiens les ont décrites comme un composant clé du béton.
Mais ce n'est pas nouveau. Une analyse beaucoup plus détaillée a confirmé que le secret du béton romain réside non seulement dans les matériaux pouzzolaniques qu'il contient, mais aussi dans de minuscules substances minérales blanches et brillantes, de quelques millimètres seulement, appelées clastes de chaux. « Depuis que j'ai commencé mes recherches sur le béton romain antique, ses caractéristiques me fascinent », explique Admir Masic, professeur de génie civil et environnemental au MIT et co-auteur de l'étude. « On ne retrouve pas ces caractéristiques dans les formulations de béton modernes. Alors pourquoi sont-elles présentes dans ces matériaux anciens ? », ajoute-t-il.
Ciment à « capacité d'auto-réparation »
Le lecteur pourrait croire que les Romains ont obtenu cette formule par un mélange négligent. Or, la science réfute cette hypothèse. Cette nouvelle étude démontre que les fragments de chaux incorporés au béton lui conféraient une remarquable capacité d'« auto-réparation », jusqu'alors inconnue. De plus, loin d'être le fruit du hasard, leur béton était le résultat de siècles d'optimisation. « Si les Romains ont déployé tant d'efforts pour créer un matériau de construction exceptionnel, en suivant des recettes précises perfectionnées au fil des siècles, pourquoi se sont-ils si peu souciés de la qualité du mélange ? », s'interroge Masic.
En réalité, la question est encore plus complexe. Le professeur du MIT et les autres chercheurs impliqués dans cette étude ont utilisé des techniques d'imagerie multi-échelles à haute résolution et de cartographie chimique pour analyser plus en détail ce ciment ancien. Grâce à ces méthodes, ils ont fait de nouvelles découvertes concernant la fonctionnalité potentielle des fragments de chaux utilisés par les Romains.
On pensait traditionnellement que la chaux incorporée au béton romain était prémélangée à de l'eau pour former un matériau pâteux très réactif. Cependant, ce procédé seul ne pouvait expliquer la présence de fragments de chaux. Ainsi, l'étude de nouveaux échantillons de béton antique a permis de conclure que les inclusions blanches contenaient différentes formes de carbonate de silice. « L'examen spectroscopique a révélé que ces inclusions s'étaient formées à des températures extrêmes, comme on pouvait s'y attendre de la réaction exothermique produite par l'utilisation de chaux vive à la place ou en complément de la chaux éteinte dans le mélange. ».
En d'autres termes, le mélange à chaud des différents composants du béton romain était essentiel pour obtenir une masse extrêmement durable et résistante. « Les avantages du mélange à chaud sont doubles », explique Masic. « Premièrement, le mélange à haute température permet des réactions chimiques impossibles avec de la chaux éteinte seule, produisant des composés liés à ces hautes températures qui ne se formeraient pas autrement. Deuxièmement, cette augmentation de température réduit considérablement les temps de prise et de durcissement, car toutes les réactions sont accélérées, ce qui permet une construction beaucoup plus rapide », souligne l'expert.
Mais ce n'est pas tout. La principale conclusion de l'étude, publiée aujourd'hui dans Science Advances, indique que ce matériau est capable de se régénérer, voire de s'« auto-réparer ». « Lors du processus de mélange à chaud, les fragments de chaux développent une structure nanoparticulaire particulièrement fragile, créant ainsi une source de calcium facilement fracturable et réactive. » Les chercheurs ont découvert que cette source de calcium conférait au béton la capacité de se régénérer après une fracture.
« Ce matériau peut réagir avec l'eau, créant une solution saturée de calcium qui peut recristalliser sous forme de carbonate de calcium et remplir rapidement la fissure, ou réagir avec des matériaux pouzzolaniques pour renforcer davantage le matériau composite. ».
D'après les scientifiques, ces réactions se sont produites spontanément, réparant automatiquement les fissures avant qu'elles ne se propagent à l'ensemble de la structure. Pour étayer leurs conclusions, les chercheurs ont préparé le ciment à la manière des Romains : à chaud, puis l'ont cassé et ont fait couler de l'eau à travers les fissures. Ils ont ainsi pu vérifier qu'en deux semaines, le béton s'était régénéré et l'eau avait cessé de s'infiltrer. Suite à cette découverte, l'équipe dirigée par Masic a annoncé travailler à la commercialisation de ce béton modifié afin qu'il puisse être utilisé dans les projets de construction modernes.
