Opus caementicium

Noyau en opus caementicium d'une tombe de la voie Appienne.

L'opus caementicium (du latin caementum : moellon, pierre brute, agrégat), également appelé le béton romain, était utilisé dans la construction dans la Rome antique. Comme son équivalent moderne, le béton romain reposait sur un ciment à prise hydraulique ajouté à un granulat.

De nombreux bâtiments et ouvrages encore debout aujourd'hui, comme des ponts, des réservoirs et des aqueducs, ont été construits avec ce matériau, ce qui témoigne à la fois de sa polyvalence et de sa durabilité. Sa résistance était parfois renforcée par l'incorporation de de la pouzzolane lorsqu'elles étaient disponibles (en particulier dans la baie de Naples). Cet ajout a empêché les fissures de se propager. Des recherches récentes ont montré que l'incorporation de clastes de chaux permettait au béton d'auto-réparer les fissures.

Le dôme du Panthéon de Rome, vu de l'intérieur.

L'opus caementicium est l'une des clés de la réussite de la construction romaine, qui s'est développée à la fin du III^e siècle av. J.-C. dans le Latium et en Campanie et s’est rapidement diffusée dans l'ensemble du monde romain. Le secret du béton romain durable (opus caementicium) a été perdu pour le monde avec l'effondrement de l' empire.

Le béton romain était fréquemment utilisé en combinaison avec des revêtements et d'autres supports et les intérieurs étaient en outre décorés de stuc, de fresques ou de marbre coloré. D'autres développements innovants dans le matériau - faisant partie de la 'révolution du béton' - ont contribué à des formes structurellement compliquées. L'exemple le plus frappant de ceux-ci est le dôme du Panthéon, le plus grand et le plus ancien dôme en béton non armé du monde.

Références historiques

Vitruve, écrivant vers 25 av. J.-C. dans son De architectura, distingue les types de matériaux appropriés à la préparation des mortiers de chaux. Pour les mortiers structuraux, il a recommandé la pouzzolane (pulvis puteolanus en latin), le sable volcanique des lits de Pozzuoli, de couleur brun-jaune-gris dans la région de Naples et brun rougeâtre près de Rome. Vitruve spécifie un rapport de 1 partie de chaux pour 3 parties de pouzzolane pour le mortier utilisé dans les bâtiments et un rapport de 1:2 pour les travaux sous-marins.

Les Romains ont d'abord utilisé le béton hydraulique dans les structures sous-marines côtières, probablement dans les ports autour de Baiae avant la fin du IIe siècle avant JC.[13] Le port de Césarée est un exemple (22-15 av. J.-C.) de l'utilisation à grande échelle de la technologie du béton sous-marin romain.

Pour reconstruire Rome après l'incendie de 64 après JC qui a détruit de grandes parties de la ville, le nouveau code du bâtiment de Néron appelait en grande partie au béton à parement de brique.[citation nécessaire] Cela semble avoir encouragé le développement des industries de la brique et du béton.[11]Le béton romain diffère du béton moderne en ce que les agrégats comprenaient souvent des composants plus gros; par conséquent, il a été posé plutôt que coulé.[7] Les bétons romains, comme tout béton hydraulique, pouvaient généralement prendre sous l'eau, ce qui était utile pour les ponts et autres constructions au bord de l'eau.

Propriétés matérielles: durabilité et auto-guérison

Le béton romain, comme tout béton, est constitué d'un granulat et d'un chaux hydraulique, un liant mélangé à de l'eau qui durcit avec le temps. La composition de l'agrégat variait et comprenait des morceaux de roche, des carreaux de céramique, des clastes de chaux et des gravats de brique provenant des vestiges de bâtiments précédemment démolis. À Rome, le tuf (roche poreuse de faible densité) facilement disponible était souvent utilisé comme agrégat.

Gros plan du béton romain d'une tranche d'aqueduc romain exposé à Antibes, France

Le gypse et la chaux vive ont été utilisés comme liants. Les poussières volcaniques, appelées pouzzolane ou "sable de fosse", étaient privilégiées là où elles pouvaient être obtenues. La pouzzolane rend le béton plus résistant à l'eau salée que le béton moderne.[15] Le mortier pouzzolanique avait une teneur élevée en alumine et en silice.

Des recherches de 2023 ont révélé que les clastes de chaux - auparavant considérés comme un signe de mauvaise technique d'agrégation - réagissent avec l'eau qui s'infiltre dans les fissures. Cela produit du calcium réactif, qui permet à de nouveaux cristaux de carbonate de calcium de se former et de refermer les fissures.[16] Ces clastes de chaux ont une structure fragile qui a très probablement été créée dans une technique de "mélange à chaud" avec de la chaux vive plutôt que de la chaux éteinte traditionnelle, provoquant le déplacement préférentiel des fissures à travers les clastes de chaux, jouant ainsi potentiellement un rôle critique dans le mécanisme d'auto-guérison.

Le béton, et en particulier le chaux hydraulique responsable de sa cohésion, était un type de céramique structurale dont l'utilité découlait largement de sa plasticité rhéologique à l'état pâteux. La prise et le durcissement des ciments hydrauliques dérivés de l'hydratation des matériaux et l'interaction chimique et physique subséquente de ces produits d'hydratation. Cela différait de la prise des mortiers de chaux éteinte, les ciments les plus courants du monde pré-romain. Une fois pris, le béton romain présentait peu de plasticité, même s'il conservait une certaine résistance aux contraintes de traction.

La prise des ciments pouzzolaniques a beaucoup en commun avec la prise de leur homologue moderne, le ciment Portland. La composition élevée en silice des ciments pouzzolanes romains est très proche de celle des ciments modernes auxquels ont été ajoutés du laitier de haut fourneau, des cendres volantes ou de la fumée de silice.

Durabilité

Masse cristalline de tobermorite.

La longue durée de vie de certains ciments romains est due à la présence d'un minéral rare, issu de la réaction chimique entre la pouzzolane et la chaux hydratée, la tobermorite d'aluminium. La durabilité de ces ciments était évidente depuis des siècles, mais sa cause n'est déterminée expérimentalement que depuis juillet 2017.

Les figures de diffraction en rayons X réalisées en laboratoire, à l'aide d'un synchrotron, ont révélé la formation de cette tobermorite d'aluminium pour chacun des échantillons prélevés dans le Portus Cosanus (42° 24′ 25″ N, 11° 17′ 35″ E), dans le Baianus Sinus (40° 49′ 19″ N, 14° 05′ 17″ E), dans le Portus Neronis (41° 26′ 35″ N, 12° 37′ 52″ E) et dans le Portus Traianus (41° 46′ 41″ N, 12° 15′ 07″ E), où ils ont subi l'action des vagues depuis leur réalisation.

Après le gâchage du mortier de chaux à la main, le mélange avec les caementa était réalisé à la montée de l'ouvrage, en alternant des pelletées de mortier et de caillasse. Cette manière de procéder est différente de celle pratiquée pour le béton de ciment moderne, dans lequel le mélange de mortier et de cailloux est préparé à l'avance. L'ensemble était éventuellement pilonné.

Le mélange avec les pierres provoquait le phénomène prise, consistant en la concrétion de l'ensemble (d'où le nom de maçonnerie concrète) avec la cristallisation d'une croûte de carbonate enveloppant les grains de pierre ou de tuileau.

Ce béton pouvait être utilisé seul (moulé dans des coffrages ou coulé dans des tranchées), ou former le remplissage et le noyau structurel des fondations, des murs, des dômes et des voûtes. Les parements constitués de moellons de taille et d'appareil divers (opus incertum, opus reticulatum, opus africanum, opus vittatum et opus mixtum, etc.) servaient de coffrage perdu. On appelle aussi maçonnerie de blocage cette manière de faire.

À mesure de la montée du mur, on pouvait ménager des assises de brique sur toute l’épaisseur du mur, qui permettaient de régulariser et de renforcer l'ensemble par l’effet de chaînage.

Réalisations

Une vue du Panthéon à Rome, avec son dôme en opus caementicium

Le béton romain était fréquemment utilisé en combinaison avec des revêtements et d'autres supports et les intérieurs étaient en outre décorés de stuc, de fresques ou de marbre coloré. D'autres développements innovants dans le matériau - faisant partie de la 'révolution du béton' - ont contribué à des formes structurellement compliquées. L'exemple le plus frappant de ceux-ci est le dôme du Panthéon, le plus grand et le plus ancien dôme en béton non armé du monde.

La définition d'opus caementicium fournie par l'archéologue Jean-Pierre Adam oscille dès lors entre celle d'une concrétion inébranlable fondée sur l'utilisation de la chaux — définition qu'a principalement retenu l'histoire — et d'autre part celle de la structure tripartite « parements-noyau », dans lequel la partie centrale — le remplissage, le noyau, le blocage — était constituée principalement par les caementa liés de manière solide par une bonne chaux ou, de manière sommaire, par une terre argileuse.

Son succès s'explique par l'emploi de matériaux — les caementa — dont la préparation n'exigeait pas de compétence particulière. Il pouvait dès lors être réalisé par une main-d’œuvre servile abondante. Beaucoup de constructions réalisées en bonne maçonnerie nous sont parvenues quasi intactes. De plus, le mélange a permis la réalisation de voûte monobloc (dite voûte concrète) d'une portée de plusieurs dizaines de mètres, comme pour la basilique de Maxence ou le Panthéon de Rome.

Travaux en mer

Port de Césarée : un exemple de la technologie du béton sous-marin romain à grande échelle.

On comprend que la résistance et la longévité du béton «marin» romain bénéficient d'une réaction de l'eau de mer avec un mélange de cendres volcaniques et de chaux vive pour créer un cristal rare appelé tobermorite, qui peut résister à la fracturation. Lorsque l'eau de mer s'est infiltrée dans les minuscules fissures du béton romain, elle a réagi avec la phillipsite naturellement présente dans la roche volcanique et a créé des cristaux de tobermorite alumineux. Le résultat est un candidat pour "le matériau de construction le plus durable de l'histoire de l'humanité". En revanche, le béton moderne exposé à l'eau salée se détériore en quelques décennies.

Les Romains ont d'abord utilisé le béton hydraulique dans les structures sous-marines côtières, probablement dans les ports autour de Baiae avant la fin du IIe siècle av.  Le port de Césarée est un exemple (22-15 av. J.-C.) de l'utilisation à grande échelle de la technologie du béton sous-marin romain.

Ces ciments ont survécu à dix-neuf siècles d'érosion marine. La résistance et la longévité du béton «marin» romain bénéficient d'une réaction de l'eau de mer avec un mélange de cendres volcaniques et de chaux vive pour créer un cristal rare appelé tobermorite, qui peut résister à la fracturation.  Lorsque l'eau de mer s'est infiltrée dans les minuscules fissures du béton romain, elle a réagi avec la phillipsite naturellement présente dans la roche volcanique et a créé des cristaux de tobermorite alumineuse.

En revanche, le béton moderne exposé à l'eau salée se détériore en quelques décennies. Les tests de durabilité portant sur des bétons contemporains sont très jeunes : Ciment et & Architecture décrit des mesures effectuées dans le port de La Rochelle en 1930, qui ont permis de qualifier le ciment naturel prompt, selon la norme NF P15-314 comme « ciments pour travaux à la mer ».

Utilisation moderne

Les études scientifiques sur le béton romain depuis 2010 ont attiré l'attention des médias et de l'industrie. En raison de sa durabilité et de sa longévité inhabituelles et de son empreinte environnementale réduite, les entreprises et les municipalités commencent à explorer l'utilisation du béton de style romain en Amérique du Nord. Il s'agit de remplacer les cendres volcaniques par des cendres volantes de charbon aux propriétés similaires. Les promoteurs affirment que le béton fabriqué avec des cendres volantes peut coûter jusqu'à 60 % moins cher car il nécessite moins de ciment. Il a également une empreinte environnementale réduite en raison de sa température de cuisson plus basse et de sa durée de vie beaucoup plus longue. Des exemples utilisables de béton romain exposé à des environnements marins difficiles se sont avérés vieux de 2000 ans avec peu ou pas d'usure.

En 2013, l'Université de Californie à Berkeley a publié un article décrivant pour la première fois le mécanisme par lequel le composé suprastable de calcium-aluminium-silicate-hydrate lie le matériau.[27] Au cours de sa production, moins de dioxyde de carbone est rejeté dans l'atmosphère que n'importe quel processus de production de béton moderne.[28] Ses inconvénients incluent le temps de séchage plus long et une résistance quelque peu inférieure à celle du béton moderne, malgré sa plus grande durabilité. Ce n'est pas un hasard si les murs des édifices romains sont plus épais que ceux des édifices modernes. Cependant, le béton romain gagnait encore en force pendant plusieurs décennies après la fin de la construction, ce qui n'est pas le cas des bétons modernes.

Voir aussi

Bibliographie

• Adam, Jean-Pierre; Mathews, Anthony (2014). Roman Building. Florence: Taylor & Francis. ISBN 9780203984369.
• Lancaster, Lynne C. (2009). Concrete Vaulted Construction in Imperial Rome: innovations in context. Cambridge University Press. ISBN 9780521842020.
• Lechtman, Heather; Hobbs, Linn (1986). "Roman Concrete and the Roman Architectural Revolution". In W.D. Kingery (ed.). Ceramics and Civilization. Vol. 3: High Technology Ceramics: Past, Present, Future. American Ceramics Society. ISBN 091609488X.
• MacDonald, William Lloyd (1982). The Architecture of the Roman Empire, v.2, an Urban Appraisal. New Haven: Yale University Press. ISBN 9780300034561.

Articles connexes

• Appareil
• Ciment romain
• Technologie de la Rome antique
• Voûte concrète