Une nouvelle analyse du béton de la villa d’Hadrien révèle comment la calcite, se formant lentement, a contribué à sceller les fissures, à renforcer les pores et à préserver les infrastructures romaines antiques pendant près de 2 000 ans.
Une étude récente publiée dans la revue Science Advances révèle que la minéralisation carbonatée à long terme était un facteur majeur, jusqu’alors sous-estimé, de la durabilité de ce béton romain de l’intérieur.
Des chercheurs ont analysé du béton provenant de la villa d’Hadrien grâce à des techniques d’imagerie et de spectroscopie multi-échelles de pointe afin d’étudier l’évolution des minéraux carbonatés sur près de deux millénaires. Leurs découvertes apportent un éclairage nouveau sur l’évolution minéralogique de cet échantillon de bétonhttps://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb0754https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb0754 romain et pourraient orienter le développement de matériaux cimentaires plus durables et écologiques.
Comprendre la durabilité à long terme du béton romain
Le béton romain demeure l’un des matériaux de construction les plus durables jamais produits ; de nombreux bâtiments, aqueducs et ports sont encore en service après près de deux millénaires, même si l’article met en garde contre toute comparaison directe avec le béton armé moderne. Les scientifiques attribuent depuis longtemps cette durabilité à la réaction pouzzolanique entre la chaux et les cendres volcaniques. Cette réaction forme de l’hydrate de silicate de calcium et d’aluminium ( CASH ), un gel liant qui assure la cohésion du matériau.
Villa Adriana – Tivoli – Italie – Photo Frau Anno
Des études antérieures ont identifié la calcite comme le principal liant minéral de plusieurs bétons anciens, suggérant qu’une carbonatation à long terme aurait davantage contribué à leur durabilité. Cependant, les chercheurs n’ont pas encore pleinement compris l’évolution des minéraux carbonatés ni comment ils ont renforcé le béton au fil du temps. Pour étudier cette question, les chercheurs ont analysé du béton provenant de latrines du IIe siècle après J.-C. situées dans la villa Adriana à Tivoli, en Italie.
L’équipe a examiné la transformation progressive des phases calcaires en calcite au cours de siècles de carbonatation naturelle, plutôt que de se concentrer uniquement sur les produits d’hydratation. Elle a également étudié l’influence de cette minéralisation sur la structure poreuse, la cicatrisation des fissures et la stabilité globale du béton. Ces résultats offrent une vision plus complète de la durabilité de ce béton romain en milieu continental et fournissent des indications précieuses pour la conception de matériaux cimentaires à faible empreinte carbone et aux performances améliorées sur le long terme.
Étude du béton romain à différentes échelles
Les chercheurs ont combiné plusieurs techniques analytiques avancées pour examiner le béton romain, de l’échelle nanométrique à l’échelle macroscopique. Ils ont sélectionné un échantillon de béton provenant de la villa Adriana, composé de granulats volcaniques incorporés dans un liant à base de chaux. Ce matériau, remarquablement bien conservé, offrait une occasion idéale d’étudier l’évolution à long terme des systèmes cimentaires antiques.
L’équipe a déterminé la composition minérale des granulats et du liant. Elle a combiné la diffraction des rayons X sur poudre ( DRX ), la microscopie électronique à balayage couplée à la spectroscopie des rayons X à dispersion d’énergie ( MEB-EDX ), la spectroscopie Raman, la microscopie électronique en transmission ( MET ) et la spectroscopie d’absorption des rayons X au seuil L du calcium ( XANES ). L’ensemble de ces techniques a permis d’identifier les phases minérales et de confirmer la structure cristalline du liant carbonaté.
Les chercheurs ont ensuite utilisé la microtomographie à rayons X ( μCT ) et la nanotomographie à rayons X, basées sur le rayonnement synchrotron, pour visualiser le béton en trois dimensions. Ces méthodes d’imagerie non destructives ont révélé la morphologie 3D , la connectivité et la porosité des granulats, des pores, des zones de réaction et des réseaux riches en calcite, tandis que la microscopie et la spectroscopie ont confirmé la nature des minéraux. La combinaison de ces techniques complémentaires a permis aux chercheurs de reconstituer l’évolution minérale du béton romain sur près de deux millénaires. Cette approche intégrée a établi un lien entre les modifications chimiques microscopiques et la remarquable longévité structurelle du matériau.
La minéralisation carbonatée a renforcé le béton au fil du temps
Les analyses ont montré que le béton romain étudié, provenant des régions intérieures, doit sa durabilité à deux mécanismes de liaison complémentaires. Comme prévu, les granulats volcaniques ont réagi avec la chaux pour former un silicate de calcium et d’aluminium hydraté ( CASH ) au sein de la zone de transition interfaciale, à l’interface entre les granulats et le liant. Cette phase cimentaire a renforcé l’adhérence entre les granulats et le liant environnant tout en réduisant la perméabilité. Cependant, les chercheurs ont constaté que le CASH ne représentait qu’une faible proportion du système de liaison global.
La calcite s’est imposée comme le principal liant minéral, contribuant à la stabilité à long terme du béton. Au fil des siècles, la chaux résiduelle a réagi lentement avec le dioxyde de carbone et l’humidité atmosphériques, produisant un ciment de calcite abondant au sein de la matrice du liant. Les pores, fractures et vides ainsi formés, remplis de calcite, créent un réseau minéral interconnecté qui renforce le béton au lieu de simplement occuper l’espace.
Les chercheurs ont également identifié plusieurs formes de particules calcaires préservées. Certaines provenaient de calcaire partiellement calciné, tandis que d’autres formaient des agrégats de chaux incomplètement hydratée. Les particules les plus petites s’hydrataient plus complètement avant de se carbonater progressivement en calcite. Malgré ces différences, la quasi-totalité des phases calcaires s’étaient transformées en calcite stable, témoignant de l’évolution à long terme du liant.
L’imagerie tridimensionnelle a par ailleurs révélé que les agrégats volcaniques contribuaient activement à la durabilité. Ils réagissaient avec le liant environnant, libérant des espèces aluminosilicates qui favorisaient la formation locale de CASH. Cette interaction chimique renforçait la zone de transition interfaciale et améliorait l’adhérence dans tout le béton.
La calcite fibreuse radiale, une forme cristalline en éventail, s’est développée à partir des bords de réaction et a progressivement comblé les pores et microfissures environnants. Au fur et à mesure de leur croissance, les cristaux ont formé des ponts minéraux continus qui ont amélioré le transfert de charge et réduit les voies d’infiltration de l’eau et des produits chimiques agressifs. Ce lent processus de minéralisation a affiné la structure poreuse et a probablement renforcé progressivement le béton au fil du temps.
Inspiration pour les futurs matériaux cimentaires à faible émission de carbone
Cette étude apporte un nouvel éclairage sur l’exceptionnelle durabilité de ce béton romain continental. Si les réactions pouzzolaniques demeurent essentielles, les résultats montrent que la minéralisation carbonatée à long terme joue également un rôle crucial dans la préservation du matériau. La calcite, formée progressivement au fil des siècles, a renforcé le béton, affiné le réseau poreux et colmaté naturellement les microfissures. L’ensemble de ces processus a permis la formation d’un liant qui a continué d’évoluer et de s’améliorer longtemps après la construction.
Villa Adriana – Tivoli – Italie – Photo Frau Anno
Ces travaux démontrent également l’intérêt d’étudier les matériaux cimentaires sur de longues périodes. Les chercheurs soulignent que le béton romain ne saurait être comparé directement au béton armé moderne. Les structures antiques ne comportaient pas d’armatures en acier et étaient donc à l’abri de la corrosion, qui demeure le principal défi en matière de durabilité des infrastructures actuelles. Ils mettent également en garde contre l’idée que la carbonatation lente, limitée par la diffusion, observée sur des siècles voire des millénaires, puisse garantir des bénéfices climatiques rapides pour les infrastructures modernes.
Cette étude met en lumière comment les techniques d’imagerie et de spectroscopie avancées peuvent révéler l’évolution à long terme des matériaux de construction complexes. Ces découvertes approfondissent notre compréhension du béton romain et offrent également des pistes conceptuelles pour la conception de matériaux cimentaires plus résilients, durables et pérennes pour les infrastructures futures.
(source)
