Béton romain

Le béton romain est un mortier de chaux tassé autour de moellons ou de fragments de brique ; dans sa forme la plus connue, ce mortier contient de la cendre volcanique. La cendre le fait durcir même sous l'eau ; il a porté les voûtes de Rome, ses ports et la coupole sans armature du Panthéon, toujours la plus grande de ce type.

Ce que c’est

Le béton romain, l’opus caementicium, est une masse de fragments de pierre liés par un mortier de chaux qui, dans bien des ouvrages romains, contenait de la cendre volcanique. Les Romains appelaient ces fragments caementa, mot dont vient « ciment ». À partir du IIe siècle av. J.-C., il permit d’élever des murs, des voûtes et des coupoles d’une ampleur que la pierre taillée seule n’atteignait pas, pour un coût moindre et avec une main-d’œuvre moins qualifiée.

Deux choses le distinguent d’un simple mortier de chaux : la cendre volcanique, qui lui permet de durcir même sous l’eau, et une façon de bâtir par lits de moellons entre des parements de brique ou de petites pierres.

Comment ça marche

Un four à chaux : le calcaire est empilé sur un arc au-dessus du feu et ressort en chaux vive blanche.

Le liant commence par du calcaire. Cuit dans un four, il libère du gaz carbonique et devient de la chaux vive ; au contact de l’eau, celle-ci gonfle, chauffe et devient de la chaux éteinte. Un mortier de chaux aérienne pure durcit lentement, en reprenant le gaz carbonique de l’air, et reste mou là où l’air n’arrive pas.

La cendre volcanique y remédie. Celle de la baie de Naples, appelée pouzzolane d’après la ville de Pouzzoles, est riche en silice et en alumine sous une forme vitreuse et réactive. Elle réagit avec la chaux et l’eau pour former de nouveaux minéraux liants : le mortier durcit par réaction avec l’eau et non avec l’air, même immergé. Vitruve, vers 25 av. J.-C., notait que ce sable volcanique des environs de Baïes et du Vésuve, mêlé à la chaux et aux moellons, durcissait sous l’eau aussi bien qu’à l’air.

Le béton marin : on remplissait de mortier de cendre et de moellons des caissons de bois plantés dans la mer.

Pour les ports, les bâtisseurs enfonçaient des pieux de bois dans le fond marin, les liaient en une enceinte et la remplissaient de mortier et de blocs de tuf directement dans l’eau ; Vitruve décrit aussi des enceintes vidées de leur eau avant le remplissage. Pline l’Ancien décrivait ces jetées comme une seule masse de pierre, chaque jour plus solide. En 2017, une équipe dirigée par la géologue Marie Jackson a montré que l’eau de mer dissout lentement une partie de la cendre et que de nouveaux minéraux, dont la rare tobermorite alumineuse et la phillipsite, se développent dans ses pores. Selon l’équipe, ces cristaux enchevêtrés aident le béton à résister à la fissuration.

Les ouvriers montaient le béton romain par lits. Ils étalaient un lit de pierres grosses comme le poing ou de briques cassées, y damaient du mortier, et recommençaient lit après lit ; le mortier arrivait au mur dans des paniers portés à la main. Les parements de brique ou de petits moellons équarris servaient de coffrage perdu. Des arases de grandes tuiles plates traversaient le mur à intervalles réguliers et liaient les deux parements au blocage.

Les grains blancs sont des nodules de chaux. Là où une fissure en traverse un, l’eau peut dissoudre la chaux et refermer la fissure par de la calcite.

En 2023, une équipe du MIT dirigée par Admir Masic a étudié les petits nodules blancs de chaux présents dans le béton romain. Elle en a conclu que les bâtisseurs ajoutaient une partie de la chaux sous forme de chaux vive, qui échauffe le mélange en réagissant. Les nodules servent de réserve : quand l’eau pénètre dans une fissure, elle y dissout de la chaux et dépose du carbonate de calcium qui colmate la fente. L’équipe a ensuite fabriqué des mortiers d’essai modernes additionnés de chaux vive, les a fissurés et y a fait couler de l’eau ; d’après le compte rendu du MIT, les fissures se sont refermées en deux semaines environ, alors qu’un témoin sans chaux vive ne s’est pas réparé.

Le béton romain résiste moins à la compression qu’un béton moderne de ciment Portland et gagne lentement en résistance. Les bâtisseurs en tenaient compte : au Panthéon, des arcs de brique noyés dans les murs portaient les charges pendant que le béton durcissait.

Comment le fabriquer

Un petit bloc d’essai d’environ 30 cm de long suffit pour voir comment le matériau se comporte. Considérez-le comme une démonstration, jamais comme un élément porteur. Utilisez des produits vendus pour la chaux et la restauration.

Réunir les matériaux. Il faut de la chaux aérienne éteinte (hydratée) en poudre, une pouzzolane naturelle ou une autre pouzzolane vendue pour les mortiers de chaux, et un granulat : briques cassées ou pierres propres, de la taille d’une noix à celle d’un œuf. Portez gants et lunettes dès le début, travaillez dans un lieu bien aéré et limitez la poussière.

Gâcher le mortier. Suivez les dosages en volume que le fournisseur de la pouzzolane indique pour la chaux hydratée. Mettez un masque filtrant ajusté, comme l’exigent les fiches de données de sécurité, et mélangez les poudres à sec. Ajoutez l’eau peu à peu jusqu’à obtenir un mortier ferme et collant, pas liquide.

Monter les parements. Humidifiez auparavant les briques et le granulat de brique, sans laisser d’eau en surface, pour qu’ils n’aspirent pas l’eau du mortier frais. Posez deux minces et courts parements de brique au mortier de chaux, une hauteur de main à la fois. Ils servent de coffrage et restent en place.

Remplir le blocage. Étalez un lit de mortier entre les parements, enfoncez-y le granulat, puis damez du mortier dans les vides avec une dame en bois jusqu’à ce qu’il n’en reste plus. Travaillez par couches de 6 à 8 cm environ, pour que le mortier enrobe chaque morceau, et terminez par une arase de tuiles plates sur toute l’épaisseur du bloc.

Laisser durcir lentement. Gardez l’ouvrage humide et à l’ombre au moins deux semaines, sous des toiles de jute mouillées, et protégez-le du gel. Chaux et pouzzolane continuent de durcir pendant des mois ; cassez le bloc au bout de quelques mois pour voir jusqu’où il a pris.

Sécurité. La chaux est caustique. Elle brûle la peau et peut rendre aveugle : portez gants, manches longues et lunettes étanches, rincez immédiatement toute projection à grande eau claire, puis consultez pour les yeux. Portez un masque filtrant ajusté pour verser ou mélanger à sec chaux et pouzzolane. N’éteignez pas vous-même de chaux vive et ne tentez pas le « mélange à chaud » romain : la chaux vive et l’eau réagissent violemment, bouillonnent et projettent. Ce mélange maison n’est pas testé : ne l’employez ni pour une marche, ni pour un mur, ni pour rien qui doive porter une charge.

Histoire et évolution

Les mortiers de chaux étaient employés autour de la Méditerranée bien avant Rome ; les bâtisseurs romains en firent un matériau de structure. Le béton était d’usage courant vers 150 av. J.-C., et certains chercheurs placent ses débuts un siècle plus tôt. Le béton qui prend sous l’eau a sans doute été mis au point autour de la baie de Naples, d’où vient la cendre, avant la fin du IIe siècle av. J.-C. ; quels ouvrages portuaires conservés sont les plus anciens reste discuté.

Sous l’Empire, il porta la plupart des grands édifices. Le port d’Hérode à Césarée, construit à partir de 22 av. J.-C. environ, fut bâti avec de la cendre expédiée d’Italie. Le Panthéon, reconstruit sous Hadrien entre 117 et 125 apr. J.-C. environ, a une coupole de 43,3 m de diamètre percée au sommet d’une ouverture ronde d’environ 9 m. Ses murs ont près de 6 m d’épaisseur, et le granulat passe du travertin lourd des fondations au tuf et à la brique, puis à la ponce légère et au tuf dans le haut de la coupole. Elle reste la plus grande coupole de béton non armé au monde.

Après la chute de l’Empire d’Occident, les grandes constructions en béton se raréfièrent et le mortier de chaux revint surtout à son rôle de liant des maçonneries. Le béton moderne, à base de ciment Portland et souvent armé d’acier, prend plus vite et résiste mieux, mais dans l’eau de mer il peut se fissurer, et son acier se corroder, en quelques décennies s’il est mal fait ou mal protégé. Des chercheurs étudient aujourd’hui les carottes des ports romains et les nodules de chaux pour mettre au point des bétons plus durables et moins émetteurs de gaz carbonique.