On nous répète régulièrement que les nouvelles technologies sauveront la Planète alors qu’il suffit parfois de se tourner vers le passé pour retrouver des techniques hélas oubliées. Cela pourrait être le cas pour le … béton ! Une stratégie de fabrication antique pourrait être la clé de la conception d’un béton qui dure des millénaires. Ce qui est incroyable mais vrai, ce n’est pas la technique employée à l’époque, mais que celle-ci ne se soit pas perpétuée !
Les Romains étaient des maîtres en ingénierie, construisant de vastes réseaux de routes, d’aqueducs, de ports et d’imposants bâtiments, dont les vestiges ont survécu pendant deux millénaires. Nombre de ces structures étaient construites en béton : le célèbre Panthéon de Rome, qui possède le plus grand dôme en béton non armé du monde et qui a été inauguré en 128 après J.-C., est toujours intact, et certains aqueducs romains antiques fournissent encore de l’eau à Rome aujourd’hui. En revanche, de nombreuses structures modernes en béton se sont effondrées au bout de quelques décennies….
UNE DÉCOUVERTE INSPIRANTE
Les chercheurs ont passé des décennies à essayer de percer le secret de ce matériau de construction antique ultra-résistant, en particulier dans les structures qui ont subi des conditions particulièrement difficiles, comme les égouts et les digues, ou celles qui ont été construites dans des zones sismiques.
Une équipe de chercheurs du MIT, de l’université de Harvard et de laboratoires en Italie et en Suisse a avancé dans ce domaine, en découvrant des stratégies de fabrication de béton ancien qui incorporaient plusieurs fonctionnalités clés d’autoréparation. Ces résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Science Advances, dans un article rédigé par Admir Masic, professeur de génie civil et environnemental au MIT, Linda Seymour, ancienne doctorante, et quatre autres chercheurs.
Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont supposé que la clé de la durabilité du béton antique reposait sur un seul ingrédient : un matériau pouzzolanique tel que des cendres volcaniques provenant de la région de Pouzzoles, dans la baie de Naples. Ce type spécifique de cendres était même expédié dans tout le vaste empire romain pour être utilisé dans la construction, et était décrit comme un ingrédient clé du béton dans les comptes rendus des architectes et des historiens de l’époque.
Après un examen plus approfondi, ces échantillons anciens contiennent également de petits éléments minéraux blancs brillants, distinctifs et millimétriques, qui sont depuis longtemps connus comme un composant omniprésent dans les bétons romains. Ces morceaux blancs, souvent appelés clastes de chaux, proviennent de la chaux, un autre composant clé du mélange de béton antique. « Depuis que j’ai commencé à travailler sur le béton romain antique, j’ai toujours été fasciné par ces caractéristiques », déclare Admir Masic. « On ne les trouve pas dans les formulations de béton modernes, alors pourquoi sont-elles présentes dans ces matériaux antiques ? »
UTILISATION DE CHAUX VIVE
La nouvelle étude suggère que ces minuscules clastes de chaux conféraient au béton une capacité d’autoréparation jusqu’alors méconnue. « L’idée que la présence de ces clastes de chaux était simplement attribuée à un contrôle de qualité insuffisant m’a toujours dérangé », explique Admir Masic. « Si les Romains ont déployé tant d’efforts pour fabriquer un matériau de construction exceptionnel, en suivant toutes les recettes détaillées qui ont été optimisées au cours de plusieurs siècles, pourquoi auraient-ils déployé si peu d’efforts pour assurer la production d’un produit final bien mélangé ? »
Après une caractérisation plus poussée à l’aide de techniques d’imagerie à haute résolution et de cartographie chimique mises au point dans le laboratoire de recherche d’Admir Masic, les chercheurs ont obtenu de nouvelles informations sur la fonctionnalité potentielle de ces clastes de chaux.
Historiquement, on supposait que lorsque la chaux était incorporée dans le béton romain, elle était d’abord combinée avec de l’eau pour former un matériau pâteux hautement réactif, dans un processus connu sous le nom d’extinction. Mais ce processus à lui seul ne pouvait pas expliquer la présence des clastes de chaux. Admir Masic s’est demandé : « Est-il possible que les Romains aient utilisé directement la chaux sous sa forme la plus réactive, connue sous le nom de chaux vive ? »
En étudiant des échantillons de ce béton ancien, lui et son équipe ont déterminé que les inclusions blanches étaient, en effet, constituées de diverses formes de carbonate de calcium. Et l’examen spectroscopique a fourni des indices montrant que ces inclusions s’étaient formées à des températures extrêmes, comme on pouvait s’y attendre en raison de la réaction exothermique produite par l’utilisation de chaux vive à la place, ou en plus, de la chaux éteinte dans le mélange. L’équipe en a conclu que le mélange à chaud était en fait la clé de la nature super-durable.
« Les avantages du mélange à chaud sont doubles », poursuit Admir Masic. « Premièrement, lorsque le béton est chauffé à des températures élevées, il permet des réactions chimiques qui ne seraient pas possibles si l’on utilisait uniquement de la chaux éteinte. Deuxièmement, cette température accrue réduit considérablement les temps de séchage et durcissement puisque toutes les réactions sont accélérées, ce qui permet une construction beaucoup plus rapide. »
AUTORÉPARATION DU BÉTON
Au cours du processus de mélange à chaud, les clastes de chaux développent une architecture nanoparticulaire caractéristique, créant une source de calcium facilement fracturée et réactive, qui, comme l’a proposé l’équipe, pourrait fournir une fonctionnalité d’autoréparation critique. Dès que de minuscules fissures commencent à se former dans le béton, elles peuvent se déplacer préférentiellement à travers les clastes de chaux à haute surface. Ce matériau peut alors réagir avec l’eau, créant une solution saturée en calcium, qui peut recristalliser sous forme de carbonate de calcium et combler rapidement la fissure, ou réagir avec des matériaux pouzzolaniques pour renforcer davantage le matériau composite. Ces réactions ont lieu spontanément et guérissent donc automatiquement les fissures avant qu’elles ne s’étendent. Cette hypothèse a été confirmée par l’examen d’autres échantillons de béton romain qui présentaient des fissures remplies de calcite.
Pour prouver qu’il s’agissait bien du mécanisme responsable de la durabilité du béton romain, l’équipe a produit des échantillons de béton mélangé à chaud incorporant des formulations anciennes et modernes, les a délibérément fissurés, puis a fait couler de l’eau dans les fissures. L’expérience est concluante : En deux semaines, les fissures étaient complètement comblées et l’eau ne pouvait plus couler. Un morceau identique de béton fabriqué sans chaux vive n’a jamais été réparé, et l’eau a continué à couler à travers l’échantillon.
QUAND L’ANTIQUE REJOINT LE MODERNE…
« Il est passionnant de penser à la façon dont ces formulations de béton plus durables pourraient étendre non seulement la durée de vie de ces matériaux, mais aussi la façon dont elles pourraient améliorer la durabilité des formulations de béton imprimées en 3D », déclare Masic.
Grâce à l’allongement de la durée de vie fonctionnelle et au développement de formes de béton plus légères, Admir Masic espère que ces efforts pourraient contribuer à réduire l’impact environnemental de la production de ciment, qui représente actuellement environ 8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Avec d’autres nouvelles formulations, comme le béton qui peut réellement absorber le CO2 présent dans l’air, un autre sujet de recherche actuel du laboratoire Masic, ces améliorations pourraient contribuer à réduire l’impact du béton sur le climat mondial.
Source: Architectura
