Le mortier Romain

Le béton Romain à l’eau de mer, le secret pour réduire les émissions de carbone ?

Les bétons Romain ont fait leurs preuves. Il ont tenu  2000 ans. Il y a 25 ans environ, une  thèse financée par le CEA cherchait déjà à percer le secret de ces bétons pour confiner des déchets nucléaires. Des scientifiques de Berkeley viennent de découvrir les propriétés qui rendaient ce béton Romain “durable et soutenable”.

MR0
Une carotte de béton Romain (chaux et pouzzolane)
après 2000 ans sous l’eau de mer.

Ce ne sont pas les fabricants de chaux qui ont découvert ce secret mais c’est normal puisqu’ils ne le cherchaient pas. On a cru découvrir le secret “perdu” du béton Romain au XIXeme quand on a compris la différence entre une chaux aérienne et une chaux hydraulique (Vicat) mais ce n’était pas ça le secret. Puis le CEA a étudié les mortiers Romains pour voir s’il pourraient tenir nos déchets radioactifs au chaud 2000 ans. (Thèse Détrichet)

La dernière étape de cette recherche s’est déroulée ces dernières années. Partout dans le monde on cherche comment réduire la quantité de ciment, pour dégager moins de CO2 lors de sa cuisson et dépenser moins. Le mortier Romain apparaît alors à nouveau comme la bonne piste mais encore faut-il arriver à comprendre pourquoi il est aussi résistant et durable.

En France un seul liant basé sur la prise pouzzolanique, sera peut-être commercialisé bientôt,  c’est un mélange de chaux aérienne et de méta Kaolin (argile cuite) vendu sous le nom de TILIA. Sa production dégagerait beaucoup moins de CO2 que la cuisson de la chaux.

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La résistance du mortier Romain provient d’une  réaction chimique entre un liant, la chaux, qui demande moins d’énergie que le ciment, et une charge “pouzzolanique”. Si on remplace un sable inerte par une charge qui réagit avec la chaux on augmente la solidité du mortier à moindre frais. En fait ça revient à prendre une charge déjà cuite par le volcan, la pouzzolane, ou cuite par nous, la terre cuite, à les concasser et à les associer à un liant, qui demande moins d’énergie que le ciment … la chaux.

C’est une équipe internationale de chercheurs dirigée par Paulo Monteiro du Département de Lawrence Berkeley, du National Laboratory de l’énergie, professeur américain de génie civil et environnemental à l’Université de Californie, Berkeley, qui à enfin trouvée “Les secrets de la chimie d’un mortier Romain à l’eau de mer qui a passé 2000 ans immergé dans la mer Méditerranée”.

(Article traduit de l’anglais)

 

MR1Ils ont percé le secret qui se cache au coeur des mortiers, composés de chaux hydratée et de cendres volcaniques, de l’ancien port de la baie de Pouzzole.

Photo :  Les inclusions jaunâtres sont la pierre ponce, les fragments de pierre sombre sont des laves, les zones grises sont constitués d’autres matériaux cristallins volcaniques, et les taches blanches sont de la chaux.

L’analyse des échantillons fournis par Marie Jackson, membre de l’équipe, à révélé pourquoi les meilleurs bétons Romains sont supérieurs aux béton modernes, en matière de durabilité, leur fabrication est moins dommageable pour l’environnement et comment ces améliorations pourrait être adoptée dans le monde moderne.

Ce n’est pas que le béton moderne n’est pas bon – Il est tellement bon que nous en utilisons 19 milliards de tonnes par an», explique Monteiro. “Le problème est que la fabrication du ciment Portland représente 7% du dioxyde de carbone que l’industrie met en l’air.”

MR1b

Photo :

< L’encart est une image au microscope électronique à balayage des cristaux particuliers d’Al-tobermorite, essentiels à la qualité supérieure du béton à l’eau de mer des Romain.

(agrandis environ 25.000 fois)

Le ciment Portland est la “colle” qui fait tenir le béton moderne. Mais sa fabrication libère du carbone par la combustion du carburant, nécessaire pour chauffer le mélange de calcaire et d’argile à 1450 degrés Celsius, et par la dé-carbonatation du calcaire chauffé (carbonate de calcium) lui-même. L’équipe de Monteiro a constaté que les Romains en revanche, utilisaient beaucoup moins de chaux et cuisaient le calcaire à 900 ̊ C et parfois moins, ce qui nécessite beaucoup moins de combustible que la cuisson le ciment Portland.

Limiter les gaz à effet de serre est une bonne raison pour trouver une meilleure façon de fournir le béton dont le monde a besoin. Une autre raison est la recherche de bâtiments, structures et ponts plus résistants et plus durables.

Au milieu du 20e siècle, les structures en béton ont été conçues pour durer 50 ans, et beaucoup d’entre elles sont en sursis», dit Monteiro. “Maintenant, nous concevons des bâtiments pour durer 100 à 120 ans”, alors que les installations portuaires Romaines ont survécu immergées 2000 ans soumises aux attaques chimiques et à l’action des vagues.

MR2

PHOTO :

< La baie de Pouzzole est au nord-ouest de la baie de Naples.

L’échantillon de béton examiné par les chercheurs de Berkeley, provient du port de l’un des nombreux sites sous-marins antiques de la région. Les lignes noires signalent le bord des caldeiras, et les zones rouges sont des cratères de volcans.

Comment les Romains ont il fait ?

Les Romains ont fait leur béton de chaux en mélangeant la chaux à des roches volcaniques. Pour les structures sous-marines, la chaux (vive) et les cendres volcaniques ont été mélangés pour former le mortier, et ce mortier a été jetés dans des coffrages en bois avec des tufs volcaniques.

L’eau de mer a immédiatement déclenché une réaction chimique exothermique. La chaux hydratée a incorporé des molécules d’eau dans sa structure et a réagi avec la cendre pour lier l’ensemble du mélange.

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Des descriptions des cendres volcaniques nous sont parvenues depuis l’Antiquité.

Vitruve le premier, ingénieur de l’empereur Auguste, et plus tard, Pline l’Ancien, ont noté que le meilleur béton maritime a été fait avec de la cendre de la région volcanique du golfe de Naples. (Pline est mort dans l’éruption du Vésuve qui a enseveli Pompéi ), en particulier la cendre des sites proches de la ville côtière de Pouzzole.

Des cendres qui ont des caractéristiques minérales similaires, appelée pouzzolane, se retrouvent dans de nombreuses régions du monde.

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Monteiro et ses collègues ont étudié le béton maritime de la baie de Pouzzole de diverses manières :

  • avec l’ALS “Advanced Light Source de Berkeley Lab“.
  • avec les installations expérimentales à l’UC Berkeley
  • à l’Université du Roi Abdullah de la Science et de la Technologie en Arabie Saoudite,
  • avec le BESSY synchrotron en Allemagne.

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Ils ont constaté que le béton romain diffère de la forme moderne de plusieurs façons essentielles.

La 1ere différence est la sorte de “colle” qui lie les composants du béton ensemble.

Dans le béton à base de ciment Portland on a un composé de calcium, silicates, et d’hydrates (CSH).

Le béton romain produit un composé sensiblement différente, avec en plus de l’aluminium et moins de silicium.

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Le composé calcium-aluminium-silicate hydrate (CASH) est un liant exceptionnellement stable.

Avec l’ALS  la spectroscopie aux rayons X a montré que la manière spécifique dont l’aluminium se substitue au silicium dans le CASH peut être la clé de la cohésion et de la stabilité du béton à l’eau de mer.

Une autre contribution remarquable de l’équipe Monteiro concerne les produits d’hydratation du béton.

En théorie, les CSH du béton à base de Portland ressemblent à une combinaison de couches de minéraux d’origine naturelle, appelé tobermorite et jennite. 

Malheureusement, ces structures cristallines idéales n’ont pas été trouvées dans le béton moderne conventionnel.

La Tobermorite se produit dans le mortier des anciens bétons marins.

L’expérience de diffraction aux rayons X à haute pression réalisés avec l’ALS avec une longueur d’onde 12.2.2 a permis de mesurer ses propriétés mécaniques et, pour la première fois, a éclairci le rôle de l’aluminium dans son réseau cristallin.

Al-tobermorite (Al pour l’aluminium) a une rigidité supérieure à celle du CASH mal cristallisé et elle fournit un modèle pour la résistance du béton et sa durabilité.

Enfin, les études microscopiques avec l’ALS ont permis d’identifier les autres minéraux des échantillons romains.

L’intégration des résultats des diverses longueurs d’onde a mis en évidence des applications potentielles pour bétons à hautes performances, y compris pour le confinement de déchets dangereux.

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Les leçons pour l’avenir :

Les bétons modernes (plus) respectueux de l’environnement ont déjà des cendres volcaniques ou des cendres volantes provenant de centrales au charbon comme des substituts partiels du ciment Portland, avec de bons résultats.

Ces ciments produisent également des CASH, mais leur performance à long terme n’ont pu être déterminés avant que l’équipe Monteiro ait analysé le béton Romain.

Leurs analyses ont montré que la recette romaine avait besoin de moins de 10 % du poids de chaux (poids de la chaux vive ou en pâte ?) et des 2/3 ou moins de la température requise par le ciment Portland.

La chaux réagit avec la cendre de pouzzolane riche en aluminium et l’eau de mer  pour former des CASH hautement stables et des Al-tobermorite, qui assurent solidité et longévité. Tant les matériaux que la façon dont les Romains les utilisaient nous donnent des leçons pour l’avenir.

«Pour nous, la pouzzolane est importante pour ses applications pratiques», explique Monteiro”. Elle pourrait remplacer 40 % de la demande mondiale de ciment Portland. Et il y a de la pouzzolane partout dans le monde. L’Arabie saoudite n’a pas de cendres volantes, mais elle a des montagnes de pouzzolane”.

Un béton moderne plus résistant,  plus durable, fait avec moins de carburant et moins d’émissions de carbone dans l’atmosphère, sera peut-être le bénéfice de cette meilleure compréhension de la façon dont les Romains ont fait leur béton incomparable.

Ce travail a été soutenu par

  •  le roi Abdullah University of Science and Technology,
  •  la Fondation Loeb Classical Library à l’Université de Harvard,
  •  le Bureau of Science du DOE, qui prend également en charge l’Advanced Light Source.

Les échantillons de béton maritime Romain ont été fournis par Marie Jackson et par le programme de forage de ROMACONS, parrainé par CTG Italcementi de Bergame, Italie.

Contacts scientifiques:

  • Paulo Monteiro, , 510-643-8251;
  • Marie Jackson, , 928-853-7967

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Pour plus d’informations, lire le communiqué de presse de UC Berkeley à http://newscenter.berkeley.edu/2013/06/04/roman-concrete/.

(c’est l’article ci-dessous)

ARTICLE COMPLÉMENTAIRE

URL > http://newscenter.berkeley.edu/2013/06/04/roman-concrete/

L’ALS (Advanced Light Source) est une source synchrotron de troisième génération qui produit une lumière dans la région des rayons X du spectre qui est un milliard de fois plus brillante que le soleil.

L’ALS attire des scientifiques du monde entier et permet à ses utilisateurs à faire de la science exceptionnelle dans un environnement sur.

Plus d’infos > www-als.lbl.gov/.

Le Lawrence Berkeley National Laboratory lance au monde les défis scientifiques les plus urgents : Faire progresser l’énergie durable, la protection de la santé humaine, la création de nouveaux matériaux, et révéler l’origine et le destin de l’univers.

Fondée en 1931, l’expertise scientifique du Laboratoire de Berkeley a été reconnu par 13 prix Nobel. L’Université de Californie Berkeley Lab gère pour le ministère de l’Office de l’énergie de la science américaine. Pour en savoir plus, visitez le site www.lbl.gov.

Le Bureau of Science du DOE est le plus grand partisan de la recherche fondamentale dans les sciences physiques aux Etats-Unis, et il travaille à répondre à certains des défis les plus pressants de notre époque.

Pour plus d’informations, visitez le sitez Web Bureau de la science à :  science.energy.gov.

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Avec la source lumineuse ALS du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), une équipe de chercheurs de l’Université de Californie, Berkeley, a examiné la structure fine échelle du béton romain. Il décrit pour la première fois comment le composé extrêmement stable – calcium-aluminium-silicate hydrate (CASH) – lie le matériau utilisé pour construire certaines des structures les plus durables de la civilisation occidentale.

Cette découverte pourrait aider à améliorer la durabilité du béton moderne, qui à 50 ans montre souvent des signes de dégradation, en particulier dans les environnements océaniques.

La fabrication du béton romain laisse également une empreinte carbone inférieure que son homologue moderne. Le processus de création de ciment Portland, un ingrédient clé dans le béton moderne, nécessite des combustibles fossiles pour cuire le carbonate de calcium (calcaire) et les argiles à environ 1450 degrés Celsius.

7 % des émissions de dioxyde de carbone dans le monde chaque année provient de cette cuisson. La production de chaux pour le béton romain est beaucoup plus propre. Elle nécessite des températures qui sont les 2/3 de ce qui est nécessaire pour la fabrication du Portland.

Les conclusions des chercheurs sont décrits dans deux articles, l’un qui a été publié en ligne le 28 mai 2013 dans la revue de l’American Ceramic Society, et l’autre devraient paraître dans le numéro d’Octobre de la Mineralogist journal américain.

“Le béton Romain est restée cohérente et bien consolidé pendant 2.000 ans dans des environnements maritimes agressifs», a déclaré Marie Jackson, auteur principal de deux articles. “Il est l’un des matériaux de construction les plus durables de la planète, et ce n’est pas un accident. L’expédition était la bouée de sauvetage de la stabilité politique, économique et militaire de l’Empire Romain, aussi la construction de ports durables était primordiale. ”

L’équipe de recherche était dirigée par Paulo Monteiro, une UC Berkeley professeur de génie civil et environnemental et scientifique de la faculté de Berkeley Lab, et Jackson, un ingénieur de recherche Berkeley UC dans le génie civil et environnemental. Ils ont caractérisé des échantillons de béton romain tiré d’un brise-lames dans la baie de Pouzzoles, près de Naples, en Italie.

Construire l’Empire

Béton était un matériau de choix pour la construction de l’Empire romain. Il a été utilisé dans des monuments comme le Panthéon à Rome ainsi que dans les quais, digues et autres structures portuaires. L’équipe de recherche voulait savoir comment le béton marin des Romains avait résisté à un environnement impitoyable d’eau salée.

La recette du béton romain a été décrit environ 30 AC par Vitruve, ingénieur d’Octave, devenu empereur Auguste.

L’ingrédient connu est la cendre volcanique, que les Romains ont mélangé avec la chaux pour former leur mortier. Ils ont coffré ce mortier et des morceaux de roche de Tuff dans des moules en bois immergés dans l’eau de mer. Plutôt que de combattre les éléments marins, les Romains ont exploité l’eau salée pour en faire une partie intégrante du béton.

Les chercheurs ont également décrit un minéral hydrothermal très rare appelée aluminium tobermorite (Al-tobermorite) qui s’est formé dans le béton. «Notre étude fournit la première détermination expérimentale des propriétés mécaniques du minéral,” a déclaré Jackson.

Alors pourquoi l’utilisation du béton Romain a t-elle disparue ? «L’Empire romain a décliné, les expéditions ont diminué, et la nécessité du béton à l’eau de mer avec», déclare Jackson. “Vous pourriez aussi faire valoir que les structures originales ont été si bien construites que, une fois qu’ils sont en place, ils n’ont pas besoin d’être remplacé.”

Une alternative écologique ?

Tandis que le béton romain est durable, Monteiro a déclaré qu’il est peu probable qu’il remplace le moderne en béton, car il n’est pas idéal pour la construction, où un durcissement plus rapide est nécessaire.

Les chercheurs cherchent désormais les moyens d’appliquer leurs découvertes sur le béton Romain au développement de bétons plus durables. Ils cherchent à savoir si les cendres volcaniques serait un bon substitut à grand volume dans les pays sans accès facile aux cendres volantes, un produit de déchets industriels provenant de la combustion du charbon qui est couramment utilisé pour produire le béton “vert” moderne.

Il n’y a pas assez cendres volantes dans ce monde pour remplacer la moitié du ciment Portland utilisé”, a déclaré Monteiro. «De nombreux pays n’ont pas de cendres volantes, donc l’idée est de trouver des alternatives, des matériaux locaux qui vont travailler, y compris le genre de cendres volcaniques des Romains. L’utilisation de ces alternatives pourrait remplacer 40% de la demande mondiale de ciment Portland “.

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La recherche a commencé avec un financement initial de King Abdullah University of Science and Technology en Arabie Saoudite (KAUST), qui a lancé un partenariat de recherche avec l’Université de Berkeley en 2008. Monteiro a noté que l’Arabie saoudite a “des montagnes de cendres volcaniques» qui pourraient être utilisés dans le béton.

En plus de la KAUST, un financement de la Fondation Loeb Classical Library, Harvard University et le ministère de l’Office de l’énergie de la science appuient ce projet.

Les échantillons ont été fournis par Marie Jackson et l’étude de béton Maritime Roman (ROMACONS), parrainé par le CTG Italcementi, un centre de recherche basé à Bergame, en Italie.

Les chercheurs ont également utilisé de Berlin Electron anneau de stockage Société du rayonnement synchrotron, ou BESSY, pour leurs analyses.

Article original en Anglais : http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2013/06/04/roman-concrete/

Cette nouvelle amuse les Italiens : http://forumcalce.it/ultime-news/401-la-repubblica-scopre-l-acqua-calda

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25 réflexions sur “Le mortier Romain”

  1. Bonsoir,
    J’ai entendu parler à de nombreuses reprises de “cocciopesto” lors d’un séjour en italie. Est-ce la même chose que le “béton romain”. Sinon quelles sont qualités spécifiques et pour quels usages (citerne, dalle etc)
    merci pour vos réponses éclairées

    1. Le cocciopesto c’est la brique pillée. Les terres cuites (pas trop cuites) réagissent avec la chaux comme la pouzzolane et donnent un mortier pouzzolanique souvent utilisé dans les citernes. Il faut de préférence une chaux en pâte et il faut compacter le mortier, le serrer. les couches font souvent 4 cm. Toujours faire des essais avant de se lancer. Voir article sur le béton Romain.

        1. Bonjour
          Les charges pouzzolaniques fines (“fine” = moins de 80 microns) réagissent plus avec la chaux. Pour les grains plus gros on est dans la logique d’un sable. Une bonne courbe (discontinue) permet aux petits grains de remplir les vides entres les plus gros. Après c’est la réactivité plus ou moins grande de la charge pouzzolanique qui va faire la différence. Certaines pouzzolanes ne sont pas réactives (je ne sais plus lesquelles).

          1. Merci pour l’info. Est elle toujours valable début 2020 ? et par quel réseau peut-on passer pour commander ce liant ? Est ce le Tilia ou un autre produit ?

  2. Bonjour,
    J’utilise de l’argical 1200s avec de la chaux aerienne pour une prise en +- 6 h
    la palette de 900 kg ( en sac de 15 kg) coute envirron 700 euro ht.
    L’argical ets aussi un adjuvent pour les bétons ( consomation des chaux libres) mais aussi des chaux hydraulique.
    La couleur est légèrement rose
    Le mortier est étanche pour peu qu’il soit un peu batu
    le document sur vitruve , indiqué plus haut, donne toutes les proportions et toutes les technique romaine pour faire du durable.

    1. L’argical avec la chaux aérienne, vous l’utilisez pour quels types de travaux ?
      Pour des enduits de façade ? des enduits de cuves ? et à quel dosage ? Merci

    2. En complément à ma réponse par rapport à Argical … connaissez vous le Tilia de Argéco ?
      C’est un mélange de 3/4 de Méta Kaolin et 1/4 de chaux aérienne. Ce liant repose aussi sur une prise pouzzolanique. Il permet de remplacer 3/4 de la CL 90 par un Kaolin cuit en cuisson flash (presque ?) sans dégagement de CO2. Lien vers TILIA > http://www.argeco.fr/le_metakaolin.php
      Votre mélange avec Argical repose sur le même principe ?

      1. Bonjour,

        J’avais préparé une réponse plus longue ( parlant de l’histoire de mortiers romain) mais elle s’est perdu
        Berf pour répondre rapidement
        Actuellement J’utilise l’argical principalement pour du mortier d’assemblage de pierre calacire ou reconstitution
        Mais le champs d’application est plus vaste:
        Enduit
        maçonerie
        Cuve
        La proportion est 1 chaux, 1 argical, 4 sables

        ( comme sable j’utilise soit de la poudre de pierre, du sable de carrière et du sablon )

        Je l’utilise aussi comme adjuvent des bétons à base de portland

        Concernant le tillia la proportion 1/4-3/4 me fait penser à un mélange plutôt qu’à du produit pur.
        Quel est sa couleur?
        cdt jlroseau

        1. Dans le Tilia la chaux CL 90 (1/4) sert d’attaque basique pour faire réagir le Métakaolin (3/4) l’ensemble donnant un liant performant.
          Pour faire des enduits de module bas (élastiques) et avec une bonne perméance, je ne crois pas qu’ils aient des tests pour avoir des mesures de référence selon les dosages et les charges.

  3. Bonjour,
    In fine auriez-vous un protocole pour évaluer l’hydraulicité des pouzzolanes ou substituts ?
    Car j’ai fini par faire quelques essais…
    – Une poudre de pouzzolane issue du tamisage de granulats décoratifs (8-15) broyés, elle représente 10% du poids et passe au tamis N°14.
    – Une poudre de brique pilée, vendue pour réaliser les terres battues de terrain de tennis.
    Ces deux poudres entrant pour 30 % en volume dans la partie sable d’un mortier de chaux aérienne en pâte.
    Donc 1 vol chaux, 2 vol sables, 1 vol pouzzolane (ou brique pilée).
    Le tout tassé dans une forme imperméable et recouvert d’une fine pellicule d’eau (une bouteille d’eau coupée…) + plastique alimentaire pour éviter l’évaporation.
    Et le verdict a au moins le mérite d’être clair, 4 semaines plus tard c’est toujours mou de chez mou.
    Cordialement.

    1. Bonjour
      La terre battue de tennis est une terre cuite, trop cuite. La réaction est plus forte avec une terre peu cuite. De plus certaines pouzzolanes ne sont pas réactives. Dernier point, la réaction est plus forte avec une chaux en pâte qu’avec une chaux en poudre. La façon la plus écologique est probablement un mélange composé de 1/4 de chaux aérienne avec 3/4 de métaKaolin (cuisson flash sans dégagement de CO2). Je crois que Socli vend du métakolin, mais seulement par palettes entières.

      1. Bonsoir,
        Ce serait même le ARGICAL-M 1200S fabriqué par AGS (groupe Imerys)
        De fait la palette fait 1250 kg… (chargée hein! la palette elle même je sais pas)

  4. Bonjour,

    je ne suis pas très technicien, mais je me souviens avoir lu dans “The Japanese House” de Nakagawa Takeshi que la terre battue utilisée dans l’entrée des minka était mélangée à du sel pour augmenter leur dureté.

    Raphaël

    1. Il faudrait savoir si le type de terre avait de l’importance ou non. C’est peut-être lié au fait que le sel retient l’humidité ?
      Avez vous le texte qui aborde ce point ?
      merci

  5. La prise pouzzolanique à l’oeuvre dans les mortiers Romains est encore trop peu utilisée dans les mortiers en enduits. Il n’y a pas que la pouzzolane qui réagisse avec la chaux mais aussi des arènes granitiques, des terres (peu) cuites, peut-être aussi la bauxite, des terres argileuses, diverses cendres volcaniques, des dolomies ? et depuis peu il est vendu des sacs qui contiennent un mélange composé de 1/4 de chaux aérienne et de 3/4 Méta-Kaolin (Kaolin cuit par méthode flash, sans dégagement de CO2) … à suivre

    1. Bonjour Luc
      Si vous etes encore là…..ce mélange ets vendu où? sous quelle dénomination? Je vais retaper un moulin de 1640, je voudrais utiliser le “mortier romain” i.e. Chaux+Pouzzolane ce qui correspond à votre description.
      Merci
      JP Denjean

      1. Le “mortier Romain” n’est pas vendu. Vous devez le composer avec une chaux NHL 2 ou Aérienne et de la pouzzolane grosse et de la fine OU de la terrre cuite concassée. Dans tous les cas faites des essais pour voir si la réaction pouzzolanique se produit bien (voir article du blog)

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