Les Romains ont commencé à fabriquer du béton il y a plus de 2 000 ans, mais cela ne ressemblait pas vraiment au béton d'aujourd'hui. Leur formule était différente, ce qui donnait une substance qui n’était pas aussi forte que le produit moderne. Pourtant, des structures telles que le Panthéon et le Colisée ont survécu pendant des siècles, souvent avec peu ou pas d'entretien. Des géologues, des archéologues et des ingénieurs étudient les propriétés du béton antique pour résoudre le mystère de sa longévité.
«Le béton romain est. . . considérablement plus faible que les bétons modernes. Il est environ dix fois plus faible », explique Renato Perucchio, ingénieur en mécanique à l'Université de Rochester à New York. "Ce matériau est supposé avoir une résistance phénoménale dans le temps."
Cette résistance, ou durabilité aux éléments, peut être due à l'un des ingrédients clés du béton: les cendres volcaniques. Le béton moderne est un mélange de ciment à base de chaux, d'eau, de sable et de ce qu'on appelle des agrégats tels que du gravier fin. La formule du béton romain commence également par le calcaire: les constructeurs l'ont brûlé pour produire de la chaux vive, puis de l'eau a été ajoutée pour créer une pâte. Ensuite, ils se sont mélangés à de la cendre volcanique - généralement trois parties de cendre volcanique pour une partie de chaux, selon les écrits de Vitruve, un architecte et ingénieur du premier siècle avant notre ère. Les cendres volcaniques ont réagi avec la pâte de chaux pour créer un mortier durable qui a été combiné à des morceaux de briques ou de roches volcaniques de la taille d'un poing, appelés tuf, puis emballés sur place pour former des structures telles que des murs ou des voûtes.
Au début du IIe siècle avant J.-C., les Romains utilisaient déjà ce béton dans des projets de construction à grande échelle, suggérant que leur expérimentation avec le matériau de construction avait déjà commencé. D'autres sociétés antiques, telles que les Grecs, utilisaient probablement aussi des mortiers à base de chaux (dans la Chine ancienne, du riz gluant était ajouté pour augmenter la résistance). Mais combiner un mortier avec un agrégat tel que la brique pour fabriquer du béton était probablement une invention romaine, dit Perucchio.
Dans les premiers bétons, les Romains extrayaient les cendres d'une variété d'anciens dépôts volcaniques. Mais les constructeurs devinrent difficiles à l'époque où Augustus devint le premier empereur romain, en 27 av. J.-C. À cette époque, Augustus lança un vaste programme municipal visant à réparer de vieux monuments et à en ériger de nouveaux. Les constructeurs utilisèrent exclusivement les cendres volcaniques d'un gisement appelé Pozzolane Rosse. Un courant de cendres a éclaté il y a 456 000 ans sur le volcan Alban Hills, à 20 km au sud-est de Rome.
Le Panthéon, un temple dédié aux dieux, a été achevé en 128. Le dôme du temple est toujours le plus grand dôme en béton non armé au monde. (Guido Bergmann / Bundesregierung-Pool via Getty Images) 
Le Colisée, inauguré en l'an 80 après J.-C., pouvait accueillir 50 000 personnes et accueillait des jeux de gladiateurs, des chasses rituelles d'animaux, des défilés et des exécutions. (Tiziana Fabi / AFP / Getty Images) 
La tombe de Caecilia Metella, fille d'un consul romain. Ce daguerréotype de 1841 est l’une des premières photographies connues d’Italie. (SSPL / Getty Images) 
Le dôme de Tempio di Venere e Roma, un temple dédié à deux déesses et inauguré par l'empereur Hadrian en 135 après JC. (Tiziana Fabi / AFP / Getty Images) "L'empereur Auguste a été le moteur de la systématisation, de la standardisation des mélanges de mortier avec Pozzolane Rosse", a déclaré Marie Jackson, géologue et ingénieure de recherche à l'Université de Californie à Berkeley. Les constructeurs romains ont probablement favorisé le dépôt de cendres en raison de la durabilité du béton fabriqué à partir de celui-ci, ajoute-t-elle. «C’était le secret de bétons très solides, cohérents et robustes.»
Jackson et ses collègues étudient la composition chimique des bétons à base de Pozzolane Rosse. Le mélange unique de minéraux de la cendre semble avoir aidé le béton à résister à la dégradation chimique et aux dommages.
Les Romains ont privilégié une autre cendre volcanique spécifique lors de la construction de structures portuaires en béton immergées dans les eaux salées de la Méditerranée. Pulvis Puteolanus a été extrait de gisements situés près de la baie de Naples. "Les Romains ont expédié des milliers et des milliers de tonnes de ces cendres volcaniques autour de la Méditerranée pour construire des ports allant des côtes italiennes à Israël, d'Alexandrie en Egypte à Pompéiopolis en Turquie", a déclaré Jackson.
L'eau de mer est très dommageable pour le béton moderne. Mais dans le béton romain, le Pulvis Puteolanus "joue en réalité un rôle dans l'atténuation de la détérioration lorsque de l'eau pénètre à travers elle", dit Jackson. Bien que le mécanisme exact soit inconnu, il semble que les réactions chimiques entre la pâte de chaux, les cendres volcaniques et l’eau de mer aient créé des structures microscopiques dans le béton qui ont piégé des molécules telles que les chlorures et les sulfates qui endommagent le béton aujourd’hui.
Malgré le succès du béton romain, l'utilisation de ce matériau a disparu avec l'empire romain. Les structures en béton ont rarement été construites au Moyen Âge, ce qui suggère que les cendres volcaniques n'étaient pas le seul secret de la durabilité du béton romain, explique Perucchio. "Ces très grands projets ne pourraient être réalisés qu'avec la bureaucratie appropriée, avec la bonne organisation que fournirait l'empire romain."
Erin Wayman est rédactrice adjointe chez Smithsonian et rédige le blog Hominid Hunting.
