L’énigme du béton romain antique

Par David Moore, P.E., 1995
Ingénieur professionnel retraité, Bureau of Reclamation
Professeur adjoint, Central Texas College
Droit d’auteur 1993 David Moore, P.E.

(Cet article a été publié pour la première fois dans « The Spillway », un bulletin du département américain de l’Intérieur, Bureau of Reclamation, région du Haut Colorado, février 1993)

Figure 1. Le dock Stillwater du Colorado utilisait du béton compacté au rouleau (BCR) qui avait des propriétés similaires à celles du béton romain.

Le béton romain antique a résisté à l’attaque des éléments depuis plus de 2 000 ans. Les techniques de construction de base des Romains doivent être meilleures que celles de la pratique moderne, à en juger par la comparaison des produits. Pouvons-nous apprendre des Romains d’une certaine manière pour améliorer notre béton?

Les livres d’histoire ancienne et poussiéreux nous ont appris que le béton romain n’était composé que de trois parties: une chaux pâteuse et hydratée; cendres de pouzzolane d’un volcan proche; et quelques morceaux de roche de la taille d’un poing. Si ces pièces étaient mélangées à la manière du béton moderne et placées dans une structure, le résultat ne réussirait certainement pas à l’épreuve des siècles. L’énigme qui sévit dans l’esprit de nos spécialistes du béton. . . Comment ces Romains à l’époque du Christ ont-ils construit de telles structures élaborées et sans âge, en béton, comme on le voit à l’horizon de Rome?

Le Panthéon est une structure romaine particulièrement inhabituelle illustrant ses progrès techniques. Il s’agit d’un bâtiment aux murs de brique qui a résisté aux dommages causés par les intempéries dans un état presque parfait et qui est magnifiquement situé dans le quartier des affaires de Rome. Peut-être que sa longévité est dit par son but. . . honorer tous les dieux. Surtout, ce bâtiment humilie l’ingénieur moderne non seulement dans sa splendeur artistique, mais aussi parce qu’il n’y a pas de tiges d’acier pour contrer les forces de traction élevées telles que nous avons besoin de maintenir le béton moderne ensemble. Décrire ce grand bâtiment circulaire en dit long sur l’intelligence de ses constructeurs; il a été conçu pour contenir une balle fictive et mesure environ 143 pieds de diamètre avec un mur en forme de jupes tombant de sa circonférence. Au centre du dôme se trouve une ouverture de 19 pieds maintenue par un anneau de bronze renforcé par un anneau de brique intégré dans le dôme en béton. Cette ouverture ingénieuse permettait à la lumière du soleil d’éclairer l’intérieur. Le sol en marbre légèrement incurvé permettait l’évacuation des eaux et les encoches complexes dans les murs et le plafond ne révèlent que quelques traits de son design soigné.

Résoudre l’énigme du béton ancien consistait en deux études: l’une consistait à comprendre la chimie et l’autre à déterminer le placement du béton ancien. Pour comprendre sa composition chimique, nous devons remonter dans le temps bien avant Moïse. Les gens du Moyen-Orient construisaient des murs pour leurs fortifications et leurs maisons en pilonnant de l’argile humide entre des formes, souvent appelée travail de pise. Pour protéger les surfaces de l’argile de l’érosion, les anciens ont découvert qu’une couche humide de calcaire blanc mince et calciné se combinerait chimiquement avec les gaz présents dans l’air pour donner une protection dure. On ne peut que deviner que la découverte du pseudo-béton s’est produite environ 200 ans avant Jésus-Christ, quand un revêtement à la chaux a été appliqué sur un mur en frêne volcanique et pouzzolanique près de la ville de Pozzuoli en Italie.

cUne réaction chimique s’est produite entre les produits chimiques présents dans la paroi de cendre volcanique (silice et petites quantités d’alumine et d’oxyde de fer) et la couche de chaux (hydroxyde de calcium) appliquée sur la paroi. Plus tard, ils ont découvert que le mélange d’un peu de cendre volcanique dans une poudre fine avec de la chaux humide donnait une couche plus épaisse, mais produisait également un produit durable pouvant être immergé dans de l’eau. .

Pour expliquer cette différence chimique, nous devons examiner la structure atomique. Le plâtre ordinaire est fabriqué avec de la chaux humide et du sable ordinaire. Ce sable a une structure atomique cristalline dans laquelle la silice est tellement condensée qu’il n’y a pas de trous d’atomes dans le réseau moléculaire permettant à la molécule d’hydroxyde de calcium de la chaux d’entrer et de réagir. Le contraire est vrai avec le contact chaux humide-pouzzolane. La pouzzolane a une structure atomique en silice amorphe avec de nombreux trous dans le réseau moléculaire. Lorsque la chaux humide est mélangée à la pouzzolane, l’hydroxyde de calcium pénètre dans les trous atomiques pour former un gel de béton qui se dilate, liant des morceaux de roche. La poudre fine de la pouzzolane fournit une grande surface pour améliorer la réaction chimique. Nous trouvons des parties de la chimie complexe de l’ancien gel de liaison pour béton correspondant à la même formule chimique que le gel de liaison pour béton moderne. Ainsi, le gel de chaux humide à la pouzzolane a donné une permanence au béton ancien.

Expliquer la mise en place du béton ancien a résolu la deuxième partie de l’énigme. Sans le vouloir, les recherches du Bureau of Reclamation ont joué ici un rôle essentiel. La chimie ne suffira pas à faire du bon béton. Les gens sont très concrets et le Bureau of Reclamation a revendiqué la renommée de cette expertise. Bien qu’un nouveau produit en béton appelé béton compacté au rouleau ait été développé de manière grossière, les améliorations apportées par Reclamation en font un candidat économique pour la construction de barrages. En 1987, les ingénieurs astucieux du Bureau of Reclamation ont construit le grand barrage Upper Stillwater en béton compacté au rouleau dans l’est de l’Utah. Ce béton consistait en un mélange de 40% de ciment Portland et de 60% de cendres volantes, un sous-produit de centrales électriques. Par coïncidence, les cendres volantes contenaient les mêmes composés de silice amorphe que les cendres de volcans explosifs. Et le ciment Portland hydraté a libéré le composant de calcium reconnu dans la partie chaux de l’ancienne formule du béton.

Lorsque le Bureau of Reclamation a mélangé ces deux parties pour former leur mère, un gel de liaison a été formé pour lier ensemble des morceaux de roche inertes de la trappe. Les roches ont été utilisées comme matériau de remplissage résistant, de la même manière que dans les pratiques de béton standard. Ainsi, nous pouvons facilement relier les molécules d’hydroxyde de calcium du ciment Portland à celles de la chaux humide ancienne, et la silice amorphe de la cendre volante à la silice amorphe de la pouzzolane volcanique. Ainsi, nous avons établi une relation raisonnable pour les composants de béton qui constituent le gel pour le béton moderne et ancien.

La similitude des ingrédients du béton moderne et ancien a été expliquée, mais il y a plus. Les études du processus de pose sont très importantes pour la fabrication de béton durable. Le Bureau of Reclamation a mélangé ses composants (ciment, cendres et roches) avec le moins d’eau possible pour obtenir un béton rigide «sans affaissement»; étalez-le en couches sur le barrage; et pilé en place par de grands rouleaux vibrants pour faire une nouvelle classe de béton.

Les anciens mélangeaient à la main leurs composants (chaux humide et cendre volcanique) dans une boîte de mortier avec très peu d’eau pour donner une composition presque sèche; porté sur le chantier dans des paniers le plaçant sur une couche de morceaux de roche préalablement préparée; et a ensuite commencé à marteler le mortier dans la couche de roche. Heureusement, nous avons des preuves. Vitruvius, le célèbre architecte romain (circ. 20 av. J.-C.) a mentionné ce processus dans ses formules historiques pour le béton, en plus du fait que des outils de bourrage spéciaux étaient utilisés pour construire un mur de citerne. Est-ce important? Oui, un compactage étroit de la structure moléculaire par tassement a permis de réduire le besoin en excès d’eau, source de vides et de faiblesse. Mais aussi, un emballage compact produit plus de gel de liaison que ce à quoi on pourrait normalement s’attendre. Encore une fois, nous avons une similitude dans les pratiques de béton anciennes et compactées au rouleau, qui est celle de compacter étroitement les matériaux dans leur mise en place.

Nous avons appris que le béton ancien était un simple mélange de chaux humide et de pouzzolane dans des proportions spécifiques correspondant aux désirs de l’architecte romain. Nous avons également appris que les Romains suivaient une méthode de placement consistant à presser leur mortier raide dans les vides d’une couche de roche. Et, fait intéressant, le nouveau béton élaboré par le Bureau of Reclamation suit de près celui des anciens. Nous pouvons donc facilement supposer que la nouvelle catégorie de béton du barrage Upper Stillwater Dam va durer. . .peut-être pour 2.000 ans comme l’ancien béton romain.

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