Mortier Romain, mortier de demain !
La science moderne traque la recette des mortiers Romains qui ont tenu 2000 ans. Enquête ...
Les ingrédients de la recette …
– De la chaux aérienne en pâte ET de la chaux vive.
– De la pouzzolane OU de la brique pillée (pas trop cuite) OU du métaKaolin
– De l’eau OU de l’eau de Mer !
Si vous avez lu mes précédents articles sur le béton Romain, cet article vous apportera des infos complémentaires, mais il nous confirme surtout que le béton Romain est promis à un bel avenir.
Le secret de sa longévité se dévoile peu à peu, chaque étude apportant un élément nouveau.
Résumé des épisodes précédents ...
L’enjeu : 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 comme une bonne piste si l’on arrive à comprendre pourquoi il est aussi résistant et durable.
Le 1er article sur « le-mortier-romain » rendait compte d’une étude menée
principalement par Marie Jackson de Berkeley. Elle montrait que l’eau
de mer avait renforcé les mortiers et que de la chaux vive avait
probablement été incluse, sans savoir quelle était son action.
Le 2eme article « Loriot redécouvre le mortier Romain » résume une étude de 1774 qui explorait les effets surprenants de la chaux vive dans les mortiers étanches des bassins. La révolution de 1789 n’a pas aidé à la diffusion de ces recherches !
Ce 3eme article « Mortier Romain mortier de demain » recoupe les 2 premiers dans la mesure ou cette nouvelle étude précise le rôle de la chaux vive dans la durabilité des mortiers Romains.
En complément je vous ai mis un petit article qui évoque le métaKaolin comme produit de substitution de la chaux, et dont le process de cuisson dégage très peu de CO2. Nous retrouvons là l’autre avantage du mortier Romain. Il est durable ET certaines recettes potentiellement peu émettrices de CO2
Résumé d’une étude publiée par la revue Science Advances (Article complet)
(extraits … ci-dessous)
Les bétons de la Rome antique ont survécu à des millénaires, mais les connaissances mécanistes sur leur durabilité restent une énigme. Ici, nous utilisons une approche de cartographie élémentaire et chimique corrélative à plusieurs échelles pour étudier les clastes de chaux reliques, un composant minéral omniprésent et visible associé aux anciens mortiers romains.
Ensemble, ces analyses fournissent de nouvelles informations sur les méthodologies de préparation du mortier et fournissent la preuve que les Romains utilisaient le mélange à chaud, en utilisant de la chaux vive en conjonction avec ou à la place de la chaux éteinte, pour créer un environnement où des clastes de chaux à grande surface à l’échelle des agrégats sont retenus à l’intérieur. la matrice de mortier.
Inspiré par ces découvertes, nous proposons que ces inclusions macroscopiques pourraient servir de sources critiques de calcium réactif pour le remplissage à long terme des pores et des fissures ou la réactivité post-pouzzolanique dans les constructions cimentaires.
Le développement et les essais ultérieurs de mélanges cimentaires modernes contenant des clastes de chaux démontrent leur potentiel d’auto-guérison, ouvrant ainsi la voie au développement de formulations de béton plus durables, résilientes et durables …
Des études portant sur la durabilité du béton romain construit dans des environnements marins, par exemple, ont mis en évidence la dissolution de clastes de chaux et de tuf vitrique à pH élevé, suivie de la précipitation de cordons de réaction contenant du CASH et, par la suite, de la cristallisation post-fixation d’Al -tobermorite et phillipsite dans la matrice ( 11 , 27 ). Dans les bétons architecturaux de l’époque augustéenne et impériale, une précipitation CASH similaire et une cristallisation et une croissance ultérieures de cristaux de strätlingite lamellaire dans les périmètres des scories et de la matrice de cimentation ont été observées ( 24 , 28 ). Plus récemment, des cristaux d’Al-tobermorite et de strätlingite ont été trouvés dans les mortiers de la tombe de la période augustéenne (vers 30 avant notre ère) de Caecilia Metella (29 ). La réactivité prolongée des granulats volcaniques et leur rôle potentiel dans la durabilité à long terme de ces matériaux ont donc été au centre des études récentes sur les bétons romains …
En plus des caractéristiques décrites ci-dessus, les clastes de chaux reliques à l’échelle des agrégats, également appelés chaux résiduelle ou morceaux de chaux, sont une caractéristique omniprésente et remarquable des bétons romains architecturaux et maritimes. La présence de ces caractéristiques blanches brillantes distinctives a déjà été attribuée à plusieurs scénarios, notamment une combustion incomplète ou excessive lors de la calcination de la chaux ( 20 ), une carbonatation avant la préparation du béton ( 30 ), une dissolution incomplète lors de la prise ( 12 ) ou un mélange insuffisant de le mortier ( 14 ) …
Bien que ces clastes soient bien caractérisés dans les bétons romains maritimes, on en sait moins sur la microstructure et la composition chimique des clastes reliques de chaux dans les constructions romaines à ciel ouvert (structures terrestres) et le rôle qu’ils pourraient jouer dans les processus associés à la durabilité de ces derniers. structures ( 5 , 35 ) …
Nous avons caractérisé la composition des clastes de chaux et de leur matrice environnante à l’aide de la microscopie électronique à balayage à grande surface et de la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (SEM-EDS), de la diffraction des rayons X sur poudre (XRD) et de l’imagerie confocale Raman. Les résultats de ces analyses fournissent des preuves irréfutables du malaxage à chaud du mortier romain utilisant de la chaux vive à la place ou en plus de la chaux éteinte. À partir de ces résultats, nous proposons que les clastes de chaux persistants, à grande échelle et à grande surface résultant de ce processus pourraient servir de source de calcium réactif pour le remplissage à long terme des pores et des fissures et donc fournir un mécanisme d’auto-guérison intrinsèque à dominance chimique …
Motivé par ces découvertes, nous avons développé un mélange cimentaire d’inspiration romaine moderne qui incorporait une méthode de préparation à chaud et observé l’auto-guérison efficace des fissures induites mesurant jusqu’à 0,5 mm de largeur. Les résultats de notre analyse multi-échelle de la composition du béton romain et le développement de leurs homologues modernes fournissent un point de départ pour comprendre le rôle de divers paramètres de production sur la durabilité des anciens mortiers et bétons et démontrent l’applicabilité et la valeur potentielle de ces anciens principes de conception dans le développement de matériaux cimentaires pour le monde moderne …
La découverte récente de fissures remplies de calcite dans le béton romain ( 29 ) a suggéré un processus de guérison potentiel à long terme qui nécessite une source riche en Ca. Considérant l’omniprésence des clastes calcaires reliques dans le béton romain ( 5 , 12 , 24 , 43 ) et leur grande surface due à leur microstructure particulaire ( Fig. 4, A à D), ces inclusions pourraient fournir les réservoirs de Ca requis pour ces processus …
Inspirés par ces observations, nous avons décidé de créer un analogue moderne de ce matériau et d’explorer ses propriétés. Compte tenu de la distribution relativement uniforme des clastes de chaux et de leurs morphologies bien définies, ces observations soulèvent la proposition intrigante qu’ils peuvent avoir été ajoutés au mélange de béton sous leur forme intacte (une pratique connue sous le nom de malaxage à chaud). Compte tenu de l’utilisation documentée du mélange à chaud dans les préparations de mortier anciennes et modernes ( 19 , 44 ), nous avons exploré cette approche dans nos formulations synthétiques …
Dans nos formulations cimentaires modernes, nous avons combiné l’OPC, les cendres volantes pulvérisées, le sable et l’eau à un rapport de mélange massique d’env. 1:0.2:2:1. À ce mélange (connu ici sous le nom de Mélange 1), de la chaux vive a été ajoutée à différents échantillons, couvrant une concentration variant de 7,5 à 15 % en masse (qui a été choisie sur la base de la gamme de fréquences rencontrée des clastes de chaux relictuelle dans différents échantillons de béton romains) étudier les effets de la teneur en chaux vive sur les performances du béton. Les mélanges obtenus ont été coulés dans des moules cylindriques mesurant 10 cm de diamètre et 10 cm de hauteur et durcis sous l’eau pendant 28 jours avant utilisation …
Le potentiel des clastes de chaux à grande surface d’agir comme une source de calcium réactif pour les propriétés d’auto-guérison a été étudié plus en détail à l’aide de nos formulations de béton d’inspiration romaine …
Des échantillons avec et sans clastes de chaux ont été cassés et les 2 bords remis en contact et exposés à un débit d’eau constant d’environ 20 litres / heure. Les échantillons avec clastes de chaux (vive) ont fini par se ressouder. En 3 semaines l’eau ne passait plus ! (figure 5 ci-contre)
Les côtés ré-accouplés des échantillons de test (qui comprenaient également des témoins sans clast de chaux) ont ensuite été introduits dans un circuit d’écoulement ( Fig. 5B ) et soumis à un débit d’eau constant. Le débit sur 30 jours a ensuite été enregistré à l’aide de débitmètres électroniques avec une précision de ± 5 litres/heure. Dans ces études, il a été prédit qu’une diminution mesurée du débit correspondait à une activité potentielle d’auto-guérison (remplissage de fissures). Les valeurs initiales typiques des débits à travers les fissures ouvertes variaient entre 10 et 30 litres/heure et se réduisaient au cours de 1 à 3 semaines selon la géométrie de la fissure, jusqu’à presque zéro lorsque la fissure était finalement colmatée ( Fig. 5C). Lorsque le débit d’eau a fini par s’arrêter (et que le débit était nul ou à un débit négligeable), l’essai a été arrêté, et la nature et la répartition des produits secondaires formés dans la fissure ( Fig. 5, D à F ) au cours du processus ont été évalués en utilisant la microscopie optique ( Fig. 5, D et E ) et la spectroscopie Raman ( Fig. 5F ) …
Sur la base des résultats de notre caractérisation chimique des mortiers Privernum, il est donc possible que, dans les textes de Vitruve, l’utilisation de macerata (se réfère spécifiquement au processus d’extinction), extincta pourrait désigner la chaux hydratée simultanément avec les autres composants du mortier, soutenant l’hypothèse de mélange à chaud proposée ici …
L’hydratation de la chaux vive pendant le mélange à chaud produit une réaction exothermique lorsque CaO s’hydrate pour former Ca(OH) 2 . L’augmentation de température dans le mortier est d’environ 55° à 60°C par rapport à l’ambiante ( 52 ), avec une présence de points chauds caractérisés par des températures supérieures à 200°C …
La chaleur de ces deux réactions, l’hydratation de CaO et la réaction pouzzolanique, pourrait faciliter la formation de CASH et même de phases cristallines telles que l’Al-tobermorite et la strätlingite, dans la matrice de cimentation et le long du bord de réaction des clastes de chaux au début …
La réaction pouzzolanique est sensible aux changements de température, et, par conséquent, le mélange à chaud fournit une explication plausible du gradient de composition observé dans les clastes de chaux des échantillons de mortier Privernum décrits dans les travaux en cours et ceux d’autres bétons romains …
Inspiré par ces découvertes, il est donc probable que la forte abondance de clastes de chaux à l’échelle des agrégats dans les anciens mortiers romains pourrait ainsi servir de source de calcium pour les processus post-pouzzolaniques dans un mécanisme «d’auto-guérison» de remplissage des pores et des fissures. qui lutte contre la dégradation progressive de ces matériaux cimentaires …
Au fil du temps, au fur et à mesure que les fissures et les pores se forment, l’intrusion d’eau provoque la dissolution des phases à base de calcium dans les clastes calcaires reliques qui les transportent dans le réseau poreux. Au fur et à mesure que les fluides riches en calcium s’infiltrent dans les fissures ou le réseau de pores connectés, de nombreuses voies existent pour des réactions post-pouzzolaniques potentielles. Par exemple, les matériaux pouzzolaniques en excès, tels que les cendres volcaniques qui n’ont pas réagi lors de la prise et du durcissement initiaux, ou les agrégats d’origine volcanique, peuvent maintenant se dissoudre et réagir avec les fluides riches en Ca provenant des clastes de chaux pour former des phases CASH, renforçant ainsi les zones d’interface entre les agrégats volcaniques/cendres et la matrice de liaison ( 29). Ce renforcement est associé à la consolidation des zones interfaciales et à des performances mécaniques accrues du CASH par rapport à ses précurseurs
Une autre voie possible est la recristallisation des phases CaCO 3 dans l’espace pore/fissure. Cette voie, dans laquelle le carbonate de calcium secondaire est précipité par un mécanisme similaire à celui qui se produit dans la formation des calthémites ( 54 , 55 ), repose sur les cycles de mouillage et de séchage rencontrés dans des conditions météorologiques normales. Ces processus ont déjà été observés dans les mortiers à base de carbonate modernes et anciens ( 56 – 58). Contrairement à ces études précédentes, cependant, nous suggérons ici que les clastes de chaux transformés par mélange à chaud agissent comme une source de calcium pour ces processus …
Notes de Luc Nèples (le 11 janvier 2023) :
Quand j’ai publié cet article je n’avais pas trouvé l’étude originale. Je n’avais trouvé que l’article journalistique ci-dessous. Une architecte lectrice de la newsletter m’a communiqué l’article originel dont vous avez le lien au début de cette page. Je me rends compte qu’il est assez complexe. Les plus motivés et courageux peuvent évidemment lire l’original.
Dans l’immédiat mes extraits de l’étude originale, ci-dessus peuvent vous donner un aperçu de l’étude. Il me faudra trouver du temps pour faire une véritable synthèse.
Vous savez maintenant comment interpréter les textes de cet article.
Ci-dessous un résumé plus journalistique du même article :
Les Romains étaient des maîtres de l’ingénierie et de la construction. Leurs aqueducs, bâtiments et ports ont survécu, dans de nombreux cas, pendant deux millénaires. Une équipe de scientifiques a examiné le béton utilisé et pense avoir trouvé la clé : la chaux vive.
Une nouvelle étude signée par des chercheurs du MITcde l’Université de Harvard et des laboratoires en Italie et en Suisse, ont découvert d’anciennes stratégies de fabrication du béton de chaux.
Longtemps on a cru que la clé de la durabilité des bétons Romains reposait sur un ingrédient, le matériau pouzzolanique, une cendre volcanique de la région de Puozzuoli, dans la baie de Naples (Italie), auquel faisaient référence les récits des architectes et historiens.
Cependant, ces échantillons anciens contiennent également de minuscules caractéristiques minérales blanches brillantes à l’échelle millimétrique, reconnues depuis longtemps comme un composant omniprésent des bétons romains.
Ces morceaux blancs, souvent appelés «clastes de chaux», proviennent de la chaux, l’autre composant clé de ces mortiers, avec la pouzzolane.
Ces restes étaient jusqu’à présent considérés comme de simples preuves d’un mélange insuffisant ou de matières premières de mauvaise qualité, explique le MIT.
La nouvelle étude suggère que ces minuscules clastes de chaux ont donné au béton une capacité d’auto-guérison jusqu’alors inconnue.
L’un des signataires de la recherche, Admir Masic du MIT, a noté que si “les Romains ont déployé tant d’efforts pour fabriquer un matériau de construction exceptionnel, pourquoi feraient-ils si peu d’efforts pour assurer la production d’un produit final bien mélangé ?” il a alors pensé qu’il devait y avoir une autre raison.
Une caractérisation plus poussée des clastes calcaires, à l’aide de techniques d’imagerie multi-échelles à haute résolution et de cartographie chimique, les chercheurs ont acquis de nouvelles connaissances sur la fonctionnalité potentielle de ces clastes calcaires.
Historiquement, on avait supposé que lorsque la chaux était incorporée dans le béton romain, elle se combinait d’abord avec de l’eau pour former un matériau pâteux hautement réactif dans le processus connu sous le nom d’extinction, mais ce processus à lui seul ne pouvait pas expliquer la présence des clastes de chaux.
L’équipe s’est donc demandée si les Romains auraient pu utiliser de la chaux vive, qui est une forme plus réactive du matériau. En étudiant des échantillons de vieux béton, ils ont déterminé que les particules blanches étaient bien constituées de diverses formes de carbonate de calcium.
L’examen spectroscopique a fourni des indications qui indiquent que les clastes s’étaient formés à des températures extrêmes, comme on pouvait s’y attendre de la réaction exothermique produite par l’utilisation de chaux vive à la place ou en plus de la chaux déjà éteinte utilisée dans le mélange.
Le mélange de ces 2 chaux, selon l’équipe, était en fait “la clé du caractère super-durable” du béton en raison de deux facteurs expliqués par Masic.
D’une part, lorsque le béton dans son ensemble est chauffé à des températures élevées, cela permet une chimie qui ne serait pas possible si seule la chaux éteinte était utilisée, produisant des composés associés à ces températures qui ne se formeraient pas autrement.
De plus, l’augmentation de la température réduit considérablement les temps de durcissement et de prise, car toutes les réactions sont accélérées, permettant une construction beaucoup plus rapide.
L’équipe a décidé de prouver que c’était le mécanisme responsable de la durabilité du béton romain en produisant des échantillons d’enrobés à chaud incorporant des formulations anciennes et modernes, en les fissurant et en faisant couler de l’eau à travers eux.
Après deux semaines, ces ouvertures étaient complètement cicatrisées et l’eau ne pouvait plus s’écouler, mais un morceau de béton identique fabriqué sans chaux vive n’a jamais durci et l’eau a continué à s’écouler à travers l’échantillon.
Masic considère que “Il est passionnant de penser à la façon dont ces formulations de béton plus durables pourraient prolonger non seulement la durée de vie utile de ces matériaux, mais aussi comment cela pourrait améliorer la durabilité des formulations de béton imprimées en 3D.
Où le Métakaolin entre en jeu ...
Quel est le lien entre le Colisée et l’avenir de notre planète? Le ciment. Car la recette romaine du ciment serait meilleure que celle utilisée par nos industriels en termes d’émission de CO2.
La fabrication d’un ciment standard nécessite un chauffage à très haute température, à plus de 1450 degrés Celsius. Ce procédé engendre de fortes émissions de CO2. Camille Magniont, au sein du laboratoire Matériaux et durabilité des Construction de l’Insa de Toulouse, a eu l’idée d’aller chercher la solution à ce problème à Rome.
Vitruve, un architecte romain, a écrit « De architectura ». Dans cet ouvrage, il décrit les procédés de fabrication d’un liant à base de métakaolin, une argile calcinée dont la production conduit principalement à l’émission de vapeur d’eau et non de CO2.
Le nouveau produit créé à partir de cette recette a bien sûr été amélioré. Les adjuvants végétaux incorporés dans le nouveau produit permettent de palier les inconvénients que représentait le ciment romain, notamment sa lenteur à durcir. Bref, un nouveau ciment est né d’une recette romaine mise à la sauce moderne.
Voilà, vous savez (presque) tout.
A nous de tester pour retrouver ces mortiers à base
de liants peu émetteurs de CO2, durables et
si besoin, étanches pour nos bassins.
Et n’oubliez pas de me communiquer vos essais
pour que chacun en profite. Merci !
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