Le Colisée, Rome, 2è s. ap. J.-C (gauche) Le Panthéon, Rome, 2è s. ap. J.-C (centre) Le Panthéon, Rome, 2è s. ap. J.-C, Le dôme en béton (droite).

Les experts en béton se demandent aujourd’hui comment faire un béton durable. Beaucoup de bâtiments en béton Romains antiques sont toujours utilisés après plus de 2000 ans. Pour ces experts du béton moderne, les Romains étaient des constructeurs chanceux en cela qu’ils ont apparemment simplement employé des dépôts de pouzzolane naturelle, qui se trouvaient être appropriés pour produire un mortier hydraulique. Contrairement à cette déclaration, notre étude linguistique et la nouvelle traduction du livre de l’auteur latin Vitruvius “de Architectura” (1er siècle av. J.-C) démontre que la magnifique qualité du béton Romain résulte de la vaste utilisation de mortiers pouzzolaniques artificiels et des bétons. Deux pouzzolanes artificiels ont été intensivement fabriqués :

1. Argile kaolinitique calcinée, en latin testa
2. Pierres volcaniques calcinées, en latin carbunculus

Voir dans #D Les mortiers de pouzzolanes artificielles chez Vitruve: évolution historique et archirtecturale et #E À la recherche du Carbunculus .

En plus de ces ingrédients réactifs artificiels, les Romains ont employé un sable volcanique réactif naturel nommé harena fossicia à tort traduit comme le sable de fosse ou simplement le sable par des auteurs modernes. Les ingrédients testa, carbunculus et harena fossicia ont été intensivement employés dans des constructions Romaines. Ces ingrédients réactifs ne doivent pas être confondus avec le pouzzolane traditionnel dont le nom est originaire de la ville de Puzzuoli, près de Napoli (Mt Vesuvio). Selon le Livre de Vitruvius V, 12, le pouzzolane traditionnel a été exclusivement employé pour la fabrication de quais d’escale dans la mer ou des fondations pour des ponts, tandis que harena fossicia, carbunculus et testa ont produit un béton pour des constructions sur la terre.

La technologie du béton romain était plus efficace que la construction traditionnelle avec la pierre de taille. Le tableau compare le temps de construction pour les dômes des monuments les plus célèbres du monde.

Temps de construction pour les bâtiments en dôme faits en béton ou en pierre taillée

Analyse des Ciments Romains à Haute Performance

De la fouille des ruines Romaines antiques, on sait qu’approximativement 95 % des bétons et des mortiers constituant les bâtiments Romains se composent d’un ciment de chaux très simple, qui s’est durci lentement par l’action de la précipitation du dioxide de carbone CO₂, venant de l’atmosphère. C’est un matériau tendre qui a été employé essentiellement dans la fabrication de fondations et dans des bâtiments pour le peuple. Mais pour la construction de leur “ouvrages d’art”, les architectes Romains n’ont pas hésité à employer des ingrédients plus sophistiqués et chers. Ces ciments Romains remarquables sont basés sur l’activation calcique d’agrégats céramiques (testa) et de riches tuffs volcaniques alcalines (cretoni, pozzolan) ensemble avec de la chaux. L’excès de chaux qui n’a pas réagi chimiquement, se recarbonate lentement en Ca-carbonate au contact du gaz carbonique de l’air. L’analyse minéralogique conventionnelle ne fournit pas d’explication satisfaisante sur le mécanisme de durcissement. Également, à la suite d’une puissante analyse spectroscopique MAS-NMR de ces ciments archéologiques, on a été capable de distinguer deux analogues de ciments géopolymériques Romains archéologiques, datant au 2è s. ap. J.-C. Voir l’analyse scientifique sur ces ciments Romains à hautes performances dans l’article numéro 28 des actes du congrès de Géopolymère ’ 99 et dans les Archéo-analogues. (en anglais)

Des institutions d’ingénieries civiles, qui travaillent particulièrement aux problèmes liées au stockage de l’eau (des réservoirs, des aqueducs) ont exigé un matériau très performant et une technologie spéciale. On sait que la technologie de ce premier analogue de ciment Romain, sous le terme technique générique d’Opus Signinum, est obtenu en mélangeant des céramiques écrasées et tamisées, en latin testa, avec de la chaux. Selon l’Auteur Romain Plinius (l’Histoire naturelle, Livre 35, 165), cette technologie a été reconnue comme : ”… une des inventions les plus spectaculaires de l’humanité …” L’ingrédient testa est une poudre céramique spéciale d’argile kaolinitique calcinée (oxyde d’alumino-silicate) et donc identique à l’ingrédient MK-750 (ou kandoxi) des ciments géopolymériques modernes. Nous avons réalisé une spectroscopie NMR 29 Si et 27 Al sur des échantillons d’Opus Signinum datant du 2è siècle ap. J.-C. Leurs spectres sont identiques à ceux des ciments géopolymériques GEOCISTEM modernes.

Le deuxième analogue de ciment Romain implique l’utilisation de pouzzolane artificielle nommée en latin Carbunculus. L’analyse a été effectuée sur des échantillons d’Ostia, des 2è et 3è siècle de notre ère.

Voir l’analyse scientifique sur des ciments Romains dans Archéo-analogues. (en anglais)

Le carbunculus, décrit par Vitruve (2, 4, 1; 2, 6, 6; 8, 1, 2) est un minéral qu’on emploie comme une pouzzolane, et son ajout donne un très bon mortier. La nature de ce sable est restée énigmatique. Les travaux de l’Italien G. LUGLI permettent une première approche. Vitruve indique, dans le quatrième chapitre du livre deux, l’utilisation de chaque différente sorte de sable:

1. Les enduits fluviaux (quartzeux): harena fluuiatica.
2. Les sables marins (calcaires): harena marina. Ces deux sables sont utilisés pour les enduits.
3. Les sables pouzzolaniques que l’on extrait du sol et que l’on distingue les uns des autres par la couleur: harena fossicia.

Vitruve (2, 4, 1) conseille l’emploi de l’harena fossicia pour l’opus caementicium et distingue 4 harenae fossiciae par la couleur: nigra (noire), cana (grise ou blanche tout dépend du gisement), rubra (rouge) et le carbunculus. Par comparaison, les sables de rivière ou de mer ne peuvent pas servir à l’édification des murs et des voûtes concrètes (2, 4, 2), alors que les fossiciae fraîchement extraits ont cette capacité. Pour Vitruve comme pour G. LUGLI, l’harena fossicia, donc le carbunculus, est un sable pouzzolanique.

Columelle (De re rust. 3, 11, 7) décrit une pierre, employée dans la culture de la vigne. Cette pierre, qui a la propriété d’absorber et de restituer l’humidité, est une zéolithe.

Vitruve (2, 6, 6) qualifie le carbunculus de materia excocta: un “matériau cuit au four”. Tacite (H. 5, 7) emploie ce verbe pour désigner le sable qui fond dans la fabrication du verre. Excoquo est un verbe technique qui désigne un procédé industriel: la cuisson au four. Dans le contexte vitruvien, le préfixe ex- exprimerait un processus de traitement à haute température. La cuisson transforme la couleur de la zéolithe: de noire, rouge ou blanche, elle devient rouge, couleur de braise. Pour Vitruve, le carbunculus , cette zéolithe cuite au four, est un produit aussi bon que la pouzzolane naturelle.

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Contrairement à ce que l’on croit généralement, les sables employés dans les mortiers dits hydrauliques chez les romains sont de nature pouzzolaniques car d’origine volcanique. Des archéologues comme Marion Elizabeth Blake et Giuseppe Lugli ont établi que seul le sable de carrière dont parle Vitruve (Livre II, chap 3) qui est le seul apte à entrer dans la composition du mortier romain est en fait un sable volcanique comme la pouzzolane et donc, réagit complètement avec la chaux.

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