« La compréhension de la formation et des processus des matériaux anciens peut informer les chercheurs sur de nouvelles façons de créer des matériaux de construction durables et durables pour l’avenir », déclare le professeur agrégé Admir Masic. “La tombe de Caecilia Metella est l’une des plus anciennes structures encore debout, offrant des idées qui peuvent inspirer la construction moderne.” On voit ici le tombeau de Cecilia Metella et les ruines de Castrum Caetani à Rome. Crédit : Livioandronico2013/Wikimedia Commons
De nouvelles recherches sur le béton romain antique offrent des informations sur la résilience du béton antique, inspirent des constructions modernes durables et durables.
Le béton commence souvent à se fissurer et à s’effriter après quelques décennies de vie – mais curieusement, cela n’a pas été le cas avec de nombreuses structures romaines. Les structures sont toujours debout, présentant une durabilité remarquable malgré des conditions qui détruiraient le béton moderne.
Une structure particulière est la grande tombe cylindrique de la noble du premier siècle Caecilia Metella. De nouvelles recherches de AVEC scientifiques et collègues publiés dans le Journal de l’American Ceramic Society montre que la qualité du béton de sa tombe peut dépasser celle des monuments de ses contemporains masculins en raison de l’agrégat volcanique choisi par les constructeurs et des interactions chimiques inhabituelles avec la pluie et les eaux souterraines qui s’accumulent sur deux millénaires.
Les co-auteurs principaux de l’étude, Admir Masic, professeur agrégé de génie civil et environnemental au MIT, et Marie Jackson, professeur agrégé de recherche en géologie et géophysique à l’Université de l’Utah, se sont associés pour comprendre la composition minérale de l’ancienne structure en béton. .
« La compréhension de la formation et des processus des matériaux anciens peut informer les chercheurs sur de nouvelles façons de créer des matériaux de construction durables et durables pour l’avenir », explique Masic. “La tombe de Caecilia Metella est l’une des plus anciennes structures encore debout, offrant des idées qui peuvent inspirer la construction moderne.”
Un béton curieusement cohérent
Situé sur une ancienne voie romaine également connue sous le nom de voie Appienne, le tombeau de Caecilia Metella est un point de repère sur la Via Appia Antica. Il se compose d’une tour en forme de rotonde qui repose sur une base carrée, au total environ 70 pieds (21 mètres) de haut et 100 pieds (29 m) de diamètre. Construit vers 30 avant notre ère, lors de la transformation de la République romaine en Empire romain, dirigé par l’empereur Auguste, en 27 avant notre ère, le tombeau est considéré comme l’un des monuments les mieux conservés de la voie Appienne.
Caecilia elle-même était membre d’une famille aristocratique. Elle s’est mariée dans la famille de Marcus Crassus, qui a formé une alliance célèbre avec Jules César et Pompée.
Dans cette image au microscope électronique à balayage du mortier de la tombe, la phase de liaison CASH apparaît en gris tandis que les scories volcaniques (et les cristaux de leucite) apparaissent en gris clair. Crédit : Marie Jackson
« La construction de ce monument et point de repère très innovant et robuste sur la Via Appia Antica indique qu’elle était très respectée », dit Jackson « et le tissu de béton 2 050 ans plus tard reflète une présence forte et résiliente. »
La tombe est un exemple des technologies raffinées de la construction en béton à la fin de la Rome républicaine. Les technologies ont été décrites par l’architecte Vitruve alors que le tombeau de Caecilia Metella était en construction. La construction d’épais murs de briques grossières ou d’agrégats de roche volcanique liés avec du mortier à base de chaux et de téphra volcanique (fragments poreux de verre et de cristaux provenant d’éruptions explosives) donnerait lieu à des structures qui « au fil du temps ne tombent pas en ruines ».
Les paroles de Vitruve sont prouvées par les nombreuses structures romaines existant aujourd’hui, y compris les marchés de Trajan (construits entre 100 et 110 après JC, plus d’un siècle après la tombe) et les structures marines comme les jetées et les brise-lames.
Ce que les anciens Romains ne pouvaient pas savoir, cependant, c’est comment les cristaux de la leucite minérale, qui est riche en potassium, dans l’agrégat volcanique se dissoudraient au fil du temps pour remodeler et réorganiser avantageusement l’interface entre les agrégats volcaniques et la matrice de liaison cimentaire, améliorant la cohésion du béton.
« Se concentrer sur la conception de bétons modernes avec des zones interfaciales à renforcement constant pourrait nous fournir une autre stratégie pour améliorer la durabilité des matériaux de construction modernes », explique Masic. « Faire cela grâce à l’intégration de la « sagesse romaine » éprouvée fournit une stratégie durable qui pourrait améliorer la longévité de nos solutions modernes par des ordres de grandeur. »
Linda Seymour ’14, PhD ’21, qui a participé à cette étude en tant que doctorante dans le laboratoire Masic du MIT, a étudié la microstructure du béton avec des outils scientifiques.
“Chacun des outils que nous avons utilisés a ajouté un indice sur les processus dans le mortier”, explique Seymour. La microscopie électronique à balayage a montré les microstructures des briques de mortier à l’échelle du micron. La spectrométrie à rayons X à dispersion d’énergie a montré les éléments constituant chacun de ces blocs de construction. «Ces informations nous permettent d’explorer rapidement différentes zones du mortier et nous pourrions choisir des éléments de base liés à nos questions», dit-elle. L’astuce, ajoute-t-elle, consiste à toucher précisément la même cible de bloc de construction avec chaque instrument lorsque cette cible n’a que la largeur d’un cheveu.
La science derrière une substance particulièrement puissante
Dans les épais murs de béton de la tombe de Caecilia Metella, un mortier contenant du téphra volcanique lie de gros mandrins de brique et d’agrégat de lave. Il est similaire au mortier utilisé sur les Marchés de Trajan 120 ans plus tard. La colle du mortier des Marchés de Trajan se compose d’un bloc de construction appelé phase de liaison CASH (calcium-aluminium-silicate-hydrate), ainsi que de cristaux d’un minéral appelé strätlingite.
Mais le téphra que les Romains utilisaient pour le mortier Caecilia Metella était plus abondant en leucite riche en potassium. Des siècles d’eau de pluie et d’eau souterraine percolant à travers les murs de la tombe ont dissous la leucite et libéré le potassium dans le mortier. Dans le béton moderne, une abondance de potassium créerait des gels expansifs qui provoqueraient des microfissures et une détérioration éventuelle de la structure.
Dans la tombe, cependant, le potassium s’est dissous et a reconfiguré la phase de liaison CASH.
« Les techniques de diffraction des rayons X et de spectroscopie Raman nous ont permis d’explorer comment le mortier avait changé », explique Seymour. « Nous avons vu des domaines CASH qui étaient intacts après 2 050 ans et certains qui étaient en train de se diviser, de s’effilocher ou d’une autre morphologie différente. La diffraction des rayons X, en particulier, a permis une analyse des domaines filiformes jusqu’à leur structure atomique. Nous voyons que les domaines vaporeux prennent cette nature nanocristalline », dit-elle.
Les domaines remodelés “créent évidemment des composants robustes de cohésion dans le béton”, explique Jackson. Dans ces structures, contrairement aux Marchés de Trajan, il y a peu de strätlingite formée.
Stefano Roascio, l’archéologue en charge de la tombe, note que l’étude est très pertinente pour comprendre d’autres structures en béton anciennes et historiques qui utilisent le granulat de Pozzolane Rosse.
« L’interface entre les granulats et le mortier de tout béton est fondamentale pour la durabilité de la structure », explique Masic. « Dans le béton moderne, les réactions alcali-silice qui forment des gels expansifs peuvent compromettre les interfaces même du béton le plus durci. »
“Il s’avère que les zones interfaciales dans le béton romain antique de la tombe de Caecilia Metella évoluent constamment grâce à un remodelage à long terme”, explique Masic. “Ces processus de remodelage renforcent les zones interfaciales et contribuent potentiellement à l’amélioration des performances mécaniques et de la résistance à la défaillance du matériau ancien.”
Référence : « Reactive liant et agrégat interfacial zones dans le mortier du béton de la tombe de Caecilia Metella, 1C BCE, Rome » par Linda M. Seymour, Nobumichi Tamura, Marie D. Jackson et Admir Masic, 16 septembre 2021, Journal de l’American Ceramic Society.
DOI : 10.1111 / jace.18133
En plus de Masic, Seymour et Jackson, les autres co-auteurs de l’étude incluent Nobumichi Tamura, scientifique principal au Lawrence Berkeley National Laboratory. La recherche est financée, en partie, par le programme ARPA-e du département américain de l’Énergie.
