Des chercheurs percent le secret de la longévité du béton de la Rome antique

Les bâtiments déjà décrépits de la Start-up Nation attestent qu’Israël aurait beaucoup à apprendre des technologies romaines, pourtant vieilles de 2 000 ans.

Les structures bétonnées de la Rome antique ont su traverser les millénaires, faisant fi des séismes, intempéries et autres submersions, sans une seule de ces fissures qui déshonorent l’architecture brutaliste d’Israël au bout de quelques dizaines d’années seulement.

Tout ceci parce que, selon des scientifiques italiens et américains qui ont pu faire la lumière sur la réaction chimique qui l’aide à résorber ses fissures, le béton romain a la faculté unique de « réparer » ses fissures après avoir été exposé à l’eau.

À l’aide de nouvelles informations recueillies par des caméras infrarouges et autres méthodes de microarchéologie sur des échantillons prélevés dans du béton ancien, dans le centre de l’Italie, les chercheurs sont parvenus à recréer du « béton romain », capable de résorber des fissures en l’espace de quelques semaines.

Certaines constructions romaines en Israël, dont le port de Césarée, des parties du palais d’Hérode à Jéricho et le tombeau de famille d’Hérode à Jérusalem, contiennent du béton similaire à ce béton italien.

Ce béton incorporait des cendres italiennes, appelées pouzzolane, extraites d’une région près de Naples et importées en Israël par bateau.

Bien loin de n’apporter qu’une solution à cette énigme millénaire, cette découverte pourrait servir à l’industrie moderne du béton, l’une des industries les plus polluantes au monde, en lui permettant de créer un béton plus durable requérant à la fois moins de matériaux et d’entretien.

« Les Romains savaient très bien s’y prendre pour obtenir un béton susceptible de servir à plusieurs choses », expliquait au Times of Israel la Dre Linda Seymour, principale autrice de l’étude publiée dans la prestigieuse revue Science Advances.

Les Romains sont tombés sur ces variétés de béton suite à de nombreux essais et bien des erreurs, explique Seymour.

« Dès l’époque phénicienne [1500 à 300 avant notre ère], ils se sont aperçus qu’en ajoutant des morceaux de poterie concassés, [le béton] pouvait prendre et tenir, quel que soit le milieu, même face aux intempéries ou sous l’eau », précise Seymour.

« Il ont progressivement essayé différents agrégats, et ils se sont aperçus que les agrégats volcaniques [à base de cendres volcaniques], leur permettaient de construire des structures plus grandes encore. »

Seymour, qui est actuellement consultante dans l’industrie du béton, a étudié le béton romain antique au MIT pour sa thèse de doctorat, explorant la manière dont les Romains étaient devenus experts dans la création de bétons adaptés à différentes localisations et différents emplois.

Certains bétons à prise rapide ont ainsi permis aux Romains de construire de grandes et impressionnantes structures, comme le dôme géant du Panthéon. D’autres, à prise plus lente, étaient parfaits pour les aqueducs, comme celui situé près de Césarée.

La Dre. Linda Seymour, chercheuse en chef d’une étude consacrée à la production de béton romain antique. (Courtoisie)

Mais ce qui impressionne le plus dans le béton romain – et qui laissait les scientifiques dans le flou jusqu’à il y a peu – est qu’il continue de réagir avec l’eau après la prise, ce qui lui permet de résorber les fissures qui se développent avec le temps.

Seymour et son équipe sont parvenus à recréer un béton similaire à celui trouvé dans les ruines romaines qu’ils ont étudiées, à Privernum, à une centaine de kilomètres au sud-est de la capitale italienne.

Les chercheurs ont créé des cylindres de leur propre béton romain, auxquels ils ont infligé de minuscules fissures d’un demi-millimètre de large. Après immersion des cylindres dans de l’eau courante pendant une à trois semaines, les fissures se sont résorbées, jusqu’à disparaitre complètement, un an plus tard.

Du béton avec des cendres italiennes

Le béton moderne se compose de gravier, de sable et d’eau, maintenus ensemble par le ciment.

La plupart des bétons modernes utilisent du ciment Portland, inventé dans les années 1800 en Angleterre, mélange de matériaux comme le calcium, le silicium, l’aluminium, le fer, le calcaire, les coquilles et la craie, chauffé à des températures extrêmement élevées, puis broyé en une poudre fine.

Le ciment moderne exige que ces matériaux soient chauffés à une température de plus de 1 500 degrés Celsius, ce qui entraîne d’énormes émissions de gaz à effet de serre.

Chaque tonne de béton produite crée une tonne métrique d’émissions de dioxyde de carbone.

Si l’industrie du ciment était un pays, elle aurait les troisièmes émissions les plus élevées au monde, après celles des États-Unis et de la Chine.

Le béton moderne est également notoirement fragile : il se fissure et s’effrite au bout de plusieurs dizaines d’années, en particulier lorsqu’il est soumis aux intempéries ou lorsqu’il se trouve à proximité de l’eau salée, comme en témoigne l’architecture en béton brutaliste en ruine dans de nombreuses villes israéliennes.

Vue d’un ancien aqueduc romain à Césarée, le 8 janvier 2006. (Crédit : Doron Horowitz/Flash90)

Le béton romain, en particulier celui situé dans des environnements marins tels que le port de Césarée, exerce une fascination de longue date sur les chercheurs en raison de son exceptionnelle longévité.

Les Romains eux-mêmes étaient particulièrement fiers de leur béton. Ils ont ainsi laissé de nombreux écrits sur la question.

Au premier siècle de notre ère, « Naturalis Historia » de Pline l’Ancien décrivait le processus par lequel les cendres volcaniques mélangées à l’eau formaient une « pierre impénétrable ».

La géologue de l’Université de l’Utah, la professeure Marie Jackson, a dirigé une équipe en 2017 qui a utilisé la description de Pline l’Ancien pour guider leur étude du ciment romain utilisé sous l’eau. Ils ont alors découvert que l’eau de mer engendrait une réaction avec le béton – en particulier avec les cendres volcaniques qu’il contient – qui permettait de colmater les fissures.

Les brise-lames de Césarée ont été bâtis grâce à cet ingénieux « béton hydraulique », très dense, un mélange de mortier, de pouzzolane italienne, de grès et de chaux éteinte.

Cartographie des éléments (En rouge, le calcium, en bleu, le silicium et en vert, l’aluminium) d’un fragment de 2 cm de béton romain ancien, prélevé sur le site archéologique de Privernum, en Italie, à gauche. (Courtoisie)

Il y aurait près de 35 000 mètres cubes de béton dans le port de Césarée, dont 24 000 mètres cubes de béton constitué de cendres de pouzzolane, explique le professeur Boaz Zissu, expert des périodes romaine, hellénistique et byzantine au département Martin (Szusz) d’études et d’archéologie d’Israël à l’Université Bar Ilan.

Cela représente pas moins 52 000 tonnes de cendres volcaniques importées, soit l’équivalent de 100 à 150 grands bateaux, ont établi les archéologues lors d’une étude plus ancienne portant sur la construction du port.

« Des bateaux acheminaient du blé d’Alexandrie en Italie, parce que les Italiens avaient besoin de blé égyptien, et nous pensons que sur le chemin du retour en Egypte, ces mêmes navires devaient transporter de la pouzzolane », explique Zissu.

La pouzzolane était un objet de luxe, et elle n’était utilisée que pour les projets les plus importants, ceux qui étaient chers au cœur d’Hérode – comme le tombeau familial – ou qui nécessitaient des prouesses d’ingénierie, comme Césarée.

« L’histoire de Césarée est réellement incroyable », assure Zissu, parce que la situation géographique n’était pas propice à la construction d’un port, sans aucune protection contre la haute mer.

« C’était typiquement l’idée d’un roi têtu, allant à l’encontre des lois de la nature. »

Selon Zissu, la qualité du travail effectué au port de Césarée n’est pas à la hauteur d’autres constructions romaines. Mais peut-être est-ce lié au fait que les ouvriers du cru, peu habitués aux matériaux importés, tentaient de couler du béton en mer, depuis un navire, esquisse-t-il.

« Ils ont dû construire ce port dans des conditions difficiles, où rien n’était adapté », ajoute Zissu.

« Le soutien de Rome à ce projet est venu sous la forme de cette pouzzolane. »

Seul le béton fabriqué avec la pouzzolane a les qualités d’auto-réparation que l’équipe de Seymour a observées dans son étude.

D’autres ruines romaines en Israël, comme Apollonia, Beit Shean ou Massada, ont utilisé des méthodes similaires aux construction romaines, mais avec de la main-d’œuvre et des matériaux des environs.

Lors de la fabrication du béton, les ouvriers utilisaient des poteries concassées ou du ciment comme agent liant.

Pourquoi ce béton a-t-il des taches blanches ?

Seymour et son équipe se sont demandé pour quelle raison le béton prélevé sur le site archéologique comportait des clastes de chaux, ces granulés blancs riches en calcium, visibles à l’œil nu. Il leur semblait que ces clastes de chaux avaient réagi de manière étrange dans le béton.

« Ce qui rend le béton romain si insaisissable réside dans la difficulté de comprendre l’ordre exact des opérations, comment il a été produit et comment il a été produit à grande échelle », explique Seymour.

« Il y a beaucoup d’écrits historiques sur ce qu’il y a dedans, mais il est difficile à recréer en laboratoire. »

« L’une des choses que nous avons remarquées, dans des études plus anciennes, en particulier dans le béton marin romain, est que ces clastes de chaux étaient assez nombreux et semblaient avoir partiellement – sinon totalement – réagi au fil du temps, et s’être modifiés », ajoute Seymour.

L’étude suit son cours lorsque Seymour participe à un échange entre le MIT et des scientifiques israéliens par le biais de MISTI, l’Initiative internationale pour la science et la technologie du MIT, en 2018.

Elle se rend sur un site archéologique, aux environs de Rehovot, géré par le professeur Stephen Weiner, de l’Institut Weizmann, fondateur et directeur du Centre Kimmel pour les sciences archéologiques.

Le Professeur Stephen Weiner, fondateur et directeur du Centre Kimmel pour l’archéologie. (Courtoisie)

Seymour est frappée par la manière dont les chercheurs israéliens utilisent la spectroscopie infrarouge transformée de Fourier (FTIR), une caméra perfectionnée capable de déterminer comment les rayons infrarouges sont absorbés par le matériau et de fournir une sorte d’ « empreinte digitale » unique de la composition chimique de ce matériau.

Il s’agit là d’un processus commun en micro-archéologie, mais l’équipe de Seymour au MIT ne l’avait pas encore utilisé pour son béton romain.

Après cette révélation, elle retourne à son laboratoire à Boston et soumet quelques échantillons à la machine FTIR d’un laboratoire voisin. Il met particulièrement en évidence la présence de carbonate de calcium dans le béton, ce qui les aide à mieux comprendre sa composition chimique.

L’équipe suppose que les Romains utilisaient le « mélange à chaud » pour ce type de béton, qui se produit lorsque le sable, les cendres volcaniques et le calcaire brûlé sont mélangés.

Si l’on ajoute de l’eau, une réaction chimique se produit qui porte le mélange à une température de 200 degrés Celsius. Ce processus laisse également des granules blancs minuscules, mais visibles, riches en calcium.

Au fil du temps, si le béton se fissure et que l’eau y pénètre, l’eau dissout ces morceaux de calcium, qui se recristallisent le long de la fissure, qu’ils comblent au fil du temps.

Cette réaction entre l’eau et les morceaux de calcium est ce qui donne au béton une propriété auto-réparatrice.

Une archéologie invisible à l’oeil nu

Weiner est l’un des pionniers de la micro)archéologie et l’un des tout premiers scientifiques à avoir fait venir des microscopes perfectionnés et des équipements de laboratoire sur les sites de fouilles pour procéder à des analyses sur site et en temps réel.

Il fait venir des machines de spectroscopie infrarouge sur le terrain dès les années 1990, dans le but de comprendre la composition chimique de différents matériaux et ce qu’ils disent de la vie quotidienne.

Disposer d’un équipement de laboratoire sur site est important parce que les matériaux susceptibles de fournir le plus d’informations au niveau microscopique, comme les morceaux de mortier ou les cendres, sont souvent éliminés pendant les fouilles, explique Weiner.

Lorsque l’équipement de laboratoire est disponible, il permet d’établir en quelques minutes si un matériau est utile et si les modalités de fouille doivent être revues.

Chaque été, le laboratoire de Weiner organise un stage de terrain pour les doctorants et étudiants en maîtrise du monde entier. C’est ainsi que Seymour découvre les tests sur site pour la première fois en 2018.

Weiner est également fasciné par ce que le mortier raconte.

« Le mortier a été une énorme révolution : c’est même l’un des tout premiers matériaux synthétiquement produits par l’homme », explique-t-il.

« Une fois qu’ils avaient le mortier, ils ont pu faire toutes sortes de choses. »

Toutes les routes menant à Rome sont pavées de ciment Portland… Enfin, jusqu’à maintenant

Seymour tente aujourd’hui d’appliquer ses connaissances du béton romain au béton moderne, dans l’espoir que l’industrie du ciment s’inspire des mécanismes d’auto-réparation que les Romains ont perfectionnés il y a deux millénaires.

« Nous tentons de comprendre les mécanismes de longévité du béton romain afin de fabriquer de meilleurs matériaux pour l’avenir », précise-t-elle.

« C’est une question de durabilité, car des structures plus durables nécessitent moins de travail et moins d’entretien. »

Un cycliste roule le long du Colisée, à Rome, le 25 juin 2021. (Crédit : Filippo Monteforte/AFP)

Le professeur Admir Masic du MIT, conseiller de Seymour et co-auteur de l’article, a déposé un brevet concernant la manière dont le béton moderne peut maintenir son intégrité structurelle tout en incorporant des propriétés d’auto-réparation.

Masic est également le cofondateur d’une entreprise, DMAT, qui tente de mettre en œuvre ces pratiques.

Seymour est aujourd’hui consultante dans le secteur privé de l’industrie du béton.

Elle se concentre sur les matériaux cimentaires supplémentaires ou les matériaux susceptibles d’être ajoutés au béton pour remplacer une partie du ciment Portland. Son objectif est de rendre le béton plus respectueux de l’environnement, sur le modèle des pratiques romaines.

« N’oublions pas que cette étude est une petite pièce du puzzle qui explique la longévité du béton romain », ajoute Seymour.

« Les Romains utilisaient un grand nombre de formulations, selon l’emplacement ou la destination de l’ouvrage. Peut-être ne connaîtrons-nous jamais tous les processus à l’oeuvre avec ce matériau. Nous avons encore tellement à apprendre sur la question. »

Seymour s’est entretenue avec le Times of Israel le premier jour de son voyage en Israël, effectué à titre personnel, et la veille de sa première visite à Césarée, l’ancienne ville portuaire construite par Hérode le Grand vers 25-13 avant notre ère.

« Les aqueducs sont mes constructions romaines préférées », a-t-elle dit à cette occasion.

« Mais je n’ai vu que des aqueducs à Rome et à Naples, donc c’est pour moi l’occasion de voir comment les matériaux étaient fabriqués et utilisés dans un contexte totalement différent. »

C’est l’une des choses qui fascine le plus Seymour à propos du béton romain : selon l’endroit où il est utilisé, la composition diffère légèrement, de manière à s’adapter parfaitement à la destination de l’ouvrage et à son emplacement, mais sans rien sacrifier des propriétés qui lui ont permis de durer des millénaires.

« Je pourrais étudier la question pour le reste de mes jours, je trouverais encore de nouvelles formulations », assure-t-elle.

« Je suis plus que jamais bluffée par la façon dont ils ont joué avec le matériau et sont parvenus à le maîtriser. »