63- Le béton Romain
Le Béton romain
J’ai toujours fantasmé sur le béton (moi Claude Josset), au point de prendre beaucoup de plaisir à mélanger moi-même , à la pelle , le sable , les graviers , la chaux et l’eau .
Ceci pour mes modestes réalisations …avec quand même , cette conviction qu’il s’agit d’ œuvres indestructibles qui défient le temps .
La consistance du mélange qui évolue à mesure des coups de pelle , rappelle beaucoup le pétrissage de la pâte à pain , et procure une intense satisfaction lorsque la consistance du mélange atteint la perfection ……….on en mangerait !!
Mon intérêt pour les ruines romaines s’est trouvé décuplé lorsque j’ai appris que les Romains avaient découvert le béton …et le coffrage du béton . Ainsi cette technique que je croyais issue de la fin du 19ème siècle et qui semblait avoir révolutionné les techniques de construction contemporaines se révélait en fait , avoir été maîtrisée par les Romains.
C’est pourquoi , mon monument préféré de Rome est le Panthéon .
Les dimensions de sa coupole sont vertigineuses : un diamètre de 58 mètres , avec une épaisseur de béton de 5,90 mètres à la périphérie et de 1,50 mètres autour de l’oculus central . Je n’ose pas imaginer le poids en tonnes !!!
Mais le plus surprenant et le plus génial , de la part des constructeurs romains de l’antiquité , c’est d’avoir modifié la composition du béton en allant vers le centre de la coupole . Pour alléger le béton , ils ont utilisé des agrégats de plus en plus légers …..pour finir avec un béton à la pierre ponce !!!
On se perd en conjonctures en ce qui concerne les coffrages qui étaient capables de supporter une telle masse de béton , c’est pourquoi l’explication de Viollet-le-Duc semble la plus plausible : qui suppose qu’un coffrage supporté par un échafaudage léger a permis de couler une petite épaisseur de béton , puis des arches de béton , qui une fois durcies ont permis de contenir et de supporter la grandemasse définitive de béton .
Ces explications vraisemblables contribuent à la fascination que procure cet édifice hors normes .
Mais revenons à l’histoire :
VITRUVE Marcus Pollio, romain, vers -50 (-88? à -26?)
Cet architecte et ingénieur militaire romain, spécialiste des systèmes hydrauliques sous Jules César et Auguste, étudia l’art architectural des Grecs
Vitruve nous a légué son De Architectura, important traité en 10 volumes de l’architecture antique dont feront usage les grands bâtisseurs de la Renaissance
Vitruve a décrit de nombreux matériaux de construction utilisés pour une grande variété de structures différentes. Il s’est particulièrement intéressé au béton et à la chaux auxquels il consacre de larges passages de son œuvre. Il explique en particulier l’intérêt de la pouzzolane pour le béton hydraulique qui durcit sous l’eau. La longévité de beaucoup de bâtiments de l’époque romaine est encore aujourd’hui le témoin de la maîtrise avancée par des Romains des matériaux de construction et leur utilisation.
Pline l’Ancien (en latin Gaius Plinius Secundus) est un écrivain et naturaliste romain, auteur d’une monumentale encyclopédie intitulée Histoire naturelle.
Il naquit en 23 après J.-C. à Novum Comum (l’actuelle Côme) dans le nord de l’Italie et décéda en 79, à Stabies (Stabia en latin), près de Pompéi, lors de l’éruption du Vésuve
L’Histoire naturelle (Naturalis historia), qui compte trente-sept volumes, est le seul ouvrage de Pline l’Ancien qui soit parvenu jusqu’à nous. Ce document a longtemps été la référence en sciences et en techniques. Pline a compilé le savoir de son époque sur des sujets aussi variés que les sciences naturelles, l’astronomie, l’anthropologie, les matériaux de construction , la psychologie ou la métallurgie.
Nous nous intéressons au Chapitre V : DE LA CHAUX.
« Il nous faut maintenant traiter de la Chaux, sans y rien omettre: et dire comme elle se cuit de caillou blanc ou pierre dure.
Celle qui sera de matière plus forte, se trouvera la meilleure en bâtiment de murailles. Quand donc icelle pierre sera éteinte, soit mêlée avec son sable, comme s’ensuivra. Si le dit sable est de fossé, il y en faut trois parts avec une de chaux. Mais s’il est de rivière ou de mer, il suffit d’y en mettre deux parties avec une de chaux.Toutefois il est à noter, que si le dit sable est de rivière, ou de mer,
Dans le Chapitre LII. (XXIII.) Pour la construction des citernes il faut cinq parties de sable pur et graveleux, sur deux parties de la chaux la plus vive, et des fragments de silex pesant au plus une livre. Ainsi établis, on foule le fond et les parois avec des maillets ferrés.
LIII. Caton le Censeur (De re rustica. XXXVIII) n’approuve point la chaux faite de pierres de différentes couleurs. La pierre blanche donne la meilleure. La chaux faite de pierres dures vaut mieux pour les bâtisses ; celle de pierres poreuses, pour les enduits. Pour ces deux emplois on rejette la chaux faite avec la silice. La pierre extraite des carrières fournit de meilleure chaux que celle qu’on prend sur les rives des fleuves. La chaux de la pierre meulière est la meilleure, parce que cette pierre est naturellement plus grasse que les autres. Chose singulière, de voir une substance qui, ayant passé par Ie feu, s’allume dans l’eau !
L IV Il y a trois espèces de sable : le fossile, auquel on doit ajouter un quart de chaux, le fluvial et le marin, auxquels en doit en ajouter un tiers. L’addition d’un tiers de poterie pilée rend le mortier meilleur. De l’Apennin au Pô, on ne trouve pas de sable fossile, non plus qu’au delà des mers.
LV. La cause de la ruine de tant d’édifices à Rome, c’est que, par une épargne frauduleuse de chaux, les moellons sont réunis sans ce qui doit les souder. Plus la chaux fusée est vieille, mieux elle tient. Dans les lois qui réglaient anciennement les constructions, il est dit que l’entrepreneur n’emploiera pas de chaux de moins de trois ans : aussi aucune crevasse n’est venue défigurer les enduits des anciennes murailles. A l’égard de l’enduit extérieur, il n’est pas suffisamment brillant, à moins de trois couches de mortier de sable et de deux couches de mortier de marbre. Dans les lieux marécageux ou voisins de la mer, on substituera au mortier de sable un mortier de tessons broyés. En Grèce, on pétrit dans un mortier avec des pilons de bois l’enduit préparé au sable qu’on va mettre à la maison. On reconnaît que le mortier au marbre est bien préparé lorsqu’il ne s’attache plus a la truelle. Au contraire, si l’on ne veut que crépir, il faut que la chaux qui a trempé longtemps tienne à la truelle comme de la colle. Pour cet usage il ne faut faire tremper la chaux qu’en mottes. A Elis est un temple de Minerve dans lequel Panaenus, frère de Phidias, a mis un enduit composé, dit-on, de lait et de safran ; aussi cet enduit donne-t-il une odeur et un goût de safran si, même aujourd’hui, on le frotte avec le pouce humecté de salive » .
Voici comment on imagine un four à chaux Romain :
D’après nos connaissances actuelles l’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 dioxyde de carbone CO2, venant de l’atmosphère.
Voici un four à chaux romain plus élaboré :
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 carbonate de calcium au contact du gaz carbonique de l’air .
Enfin, les Romains découvrirent un autre mortier hydraulique en utilisant un mélange de chaux et de terre cuite triturée. Ce mortier, connu aujourd’hui sous le nom de “cocciopesto”, permit aux Romains de s’affranchir des carrières naturelles et de fabriquer ces mortiers en n’importe quel lieu de leur Empire.
Les vestiges romains de constructions en béton sont nombreux : des caniveaux pour l’écoulement de l’eau (voir ci-contre ), des enceintes comme ce mur commencé en pierres et terminé en béton (cité romaine d’Empuries) ainsi que des voûtes et coupoles .
Mais la plus belle réalisation d’un ouvrage en béton qui subsiste intact
jusqu’à nos jours est le Panthéon de Rome (125 ap JC ).
La réalisation d’une telle coupole (d’un diamètre de 58 mètres) n’était rendue possible que grâce à la technique de « l’opus caementicium » , Il s’obtenait en mêlant des agrégats ( sable , gravier ,pouzzolane , moellons ) à un mortier de chaux et de l’eau autrement dit : du béton.
Partant du pied du bâtiment , on trouve successivement cinq qualités de bétons .
- le mur de la rotonde , jusqu’à la première corniche extérieure , est constitué d’un béton avec tuf et travertin
- entre les deux corniches le béton comporte tuf et brique .
- la seconde corniche et le premier anneau de la coupole est en béton de briques concassées .
- le second anneau de la coupole est fait d’un béton de tuf et de briques concassées
- La calotte de la coupole est constituée d’un béton avec pierre ponce et tuf .
Le béton est d’épaisseur décroissante de 5,90m à la base jusqu’à 1,50m au niveau de l’oculus .
Le tout est recouvert d’une couche d’enduit d’étanchéité de 15cm .
L’ensemble de la voûte est couvertes de « semilatere » (briques triangulaires ) , recouvertes d’une couche d’opus signinum (poussière de brique + chaux) (voir le chapitre consacré à la visite du Panthéon de Rome)
Il est extraordinaire que cette technique du béton ait été totalement oubliée et même perdue jusqu’aux temps modernes !!
Redécouverte du ciment et du béton : la redécouverte
du ciment est attribuée en France à Louis Vicat, jeune
ingénieur de l’école nationale des ponts et chaussées. En 1818, il fut le premier au monde à fabriquer, de manière artificielle et contrôlée, des chaux hydrauliques dont il détermina les composants ainsi que leur proportion. En 1855 , à Grenoble , il créa le pont en béton coulé du jardin des plantes . Préférant la gloire d’être utile à la fortune, il publia le résultat de ses recherches sans déposer de brevet. C’est l’industriel Joseph Aspdin qui dépose en octobre 1824 le premier brevet et crée la marque ciment de Portland.
La chimie livre les secrets de la chaux vive :
CO3Ca + chaleur = CaO + CO2
Calcaire + chaleur (1200°) = Chaux vive + gaz carbonique
CaO + H2O = Ca (OH)2
Chaux vive + eau = Chaux éteinte + chaleur
La composition de base des ciments actuels est un mélange de silicates et d’aluminates de calcium, résultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec de la silice (SiO2), de l’alumine (Al2O3), et de l’oxyde de fer (Fe2O3). La chaux nécessaire est fournie par des roches calcaires, l’alumine, la silice et l’oxyde de fer par des argiles. Ces matériaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes déjà mentionnés, d’autres oxydes et en particulier Fe2O2, l’oxyde ferrique.
Confection du béton :
Le mélange ciment + gravier + eau , à l’origine fait à la pelle , se fait maintenant dans des bétonnières .
Le béton est un mélange de différents éléments. Basiquement, il s’agit de granulats que l’on va mettre ensemble et qui vont se maintenir par un liant. La qualité du béton dépend de nombreux paramètres: le type de granulats utilisé, le liant, la qualité de l’eau, les proportions entre les différents éléments, etc. Si on prend le cas du béton industriel fabriqué en masse, on a recours à du sable et des pierres broyées pour les granulats. Le liant utilisé sera du ciment. Pour obtenir un mètre cube de béton, qui est d’ailleurs la consommation annuelle estimée par habitant, il faut mélanger 250 kg de ciment, 600 kg de sable, 1 tonne de pierre, et 150 l d’eau.
Il faut noter que le béton a quand même un temps de solidification très lent. Sa résistante est importante, mais il ne faut pas aller plus vite que la musique! Ainsi, une semaine après avoir été posé, son taux de résistance n’atteint que les 75% de sa résistance finale!
Sur les sites de production de béton prêt a l’emploi ou sur les gros chantiers on utilise des centrales à béton .
Des camions appelés toupies servent à transporter le béton depuis la centrale à béton jusqu’au chantier. Grâce à la rotation de la toupie qui permet de maintenir dans leur cuve la consistance du béton qu’ils transportent .
En résumé Le béton moderne est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats légers) agglomérés par un liant. Le liant peut être qualifié d’« hydrique », lorsque sa prise se fait par hydratation.
Ce liant est appelé couramment « ciment » ; on obtient dans ce cas un « béton de ciment » un des plus souvent utilisés.
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.
En réalité la magnifique qualité du béton Romain résulte de la vaste utilisation de mortiers pouzzolaniques artificiels . Deux pouzzolanes artificiels ont été intensivement fabriqués :
1. Argile kaolinitique calcinée, en latin testa
2. Pierres volcaniques calcinées, en latin 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.
Nous n’aborderons pas la technique du béton armé … les romains n’y avaient pas pensé !!! Après avoir lu ce rapide exposé , vous ne visiterez plus les vestiges romains avec le même regard !