Au fil du temps, le béton se fissure et s’effrite. Eh bien, la plupart des fissures et des effritements de béton. Les structures construites dans la Rome antique sont toujours debout, présentant une durabilité remarquable malgré des situations qui dévasteraient le béton moderne.
L’une de ces constructions est la grande tombe cylindrique de la noble du leading siècle Caecilia Metella. De nouvelles recherches montrent que la qualité du béton de sa tombe peut dépasser celle des monuments de ses contemporains masculins en raison de l’agrégat volcanique choisi par les constructeurs et des interactions chimiques inhabituelles avec la pluie et les eaux souterraines avec cet agrégat sur deux millénaires.
« La design de ce monument et level de repère très innovant et robuste sur la By way of Appia Antica indique qu’elle était tenue en haute estime », déclare Marie Jackson, professeure agrégée de recherche en géologie et géophysique à l’Université de l’Utah, « et le tissu de béton 2 050 des années additionally tard reflète une présence forte et résiliente. »
La recherche est publiée dans le Journal of the American Ceramic Society et est financée en partie par le programme ARPA-e « Extreme Toughness of Cementitious Components » du département américain de l’Énergie.
Qui était Caecilia Metella ?
Le tombeau de Caecilia Metella est un place de repère sur la Through Appia Antica, une ancienne voie romaine également connue sous le nom de voie Appienne. Il se compose d’une tour en forme de tambour qui repose sur une base carrée, au full approximativement 70 pieds (21 m) de hauteur et 100 pieds (29 m) de diamètre. Construit vers 30 av. au XIVe siècle).
Caecilia elle-même était membre d’une famille aisée, la fille d’un consul romain. Elle a épousé la famille de Marcus Lincius Crassus, un général et homme d’État romain qui a formé une célèbre alliance de triumvirat avec Jules César et Pompée.
On ne sait pas grand-selected de additionally sur la vie de Caecilia, mais l’ampleur sturdy de sa tombe a attiré l’attention des visiteurs pendant des siècles, y compris Lord Byron qui a écrit sur la tombe dans « Pèlerinage de Little one Harold » au début des années 1800. Après avoir décrit la construction en forme de forteresse, Byron demande :
« Quelle était cette tour de power ? dans sa grotte
Quel trésor était si enfermé, si caché ? — La tombe d’une femme. »
Jackson a visité la tombe en 2006 avec l’archéologue Dottoressa Lisa Gianmichele et avec un permis de la Soprintendenza Archeologia di Roma pour collecter de petits échantillons du mortier pour analyse.
« C’était une journée très chaude en juin », dit-elle, « mais lorsque nous avons descendu les marches du couloir sépulcral, l’air est devenu très frais et humide ». Elle note les murs de maçonnerie en brique compacts, cohésifs et presque parfaitement conservés et l’affleurement de roche volcanique presque saturé d’eau dans la sous-composition.
« L’atmosphère était très tranquille », ajoute-t-elle, « à l’exception du vol de pigeons au centre ouvert de la composition circulaire. »
Qu’est-ce que le béton romain ?
Avant de plonger dans les détails, intéressons-nous à la terminologie du béton. Marchez le lengthy de la plupart des trottoirs et vous verrez que le béton est composé d’un agrégat (sables rocheux et graviers) et d’un liant de ciment. Le ciment d’un trottoir moderne est probablement du ciment Portland, produit en chauffant du calcaire et des minéraux argileux dans un four pour former du clinker, en broyant le clinker et en ajoutant une petite quantité de gypse.
La tombe est un exemple des technologies raffinées de building en béton à la fin de la Rome républicaine qui ne contiennent aucun ciment. Les technologies ont été décrites par l’architecte Vitruve à l’époque où la tombe de Caecilia Metella était en building. La development d’épais murs de briques grossières ou d’agrégats de roche volcanique liés avec du mortier à foundation de chaux hydratée et de téphra volcanique (fragments poreux de verre et de cristaux provenant d’éruptions explosives) donnerait lieu à des structures qui « au fil du temps ne tombent pas en ruines. » «
Les paroles de Vitruve sont prouvées par les nombreuses constructions romaines existant aujourd’hui, y compris les marchés de Trajan (construits entre 100 et 110 de notre ère, additionally d’un siècle après la tombe) et les structures marines comme les jetées et les brise-lames, que Jackson et ses collègues ont également étudiés..
Ce que les anciens Romains ne pouvaient pas savoir, cependant, c’est comment les cristaux de la leucite minérale, riche en potassium, dans l’agrégat de téphra volcanique se dissoudraient au fil du temps pour remodeler et réorganiser de manière bénéfique la cohésion du béton.
Pour comprendre la construction minérale du béton, Jackson a fait équipe avec les chercheurs Linda Seymour et Admir Masic du Massachusetts Institute of Technological innovation et Nobumichi Tamura du Lawrence Berkeley Countrywide Laboratory. Ils ont exploré la microstructure du béton avec une panoplie d’outils scientifiques puissants.
Seymour, qui a participé à cette étude en tant que doctorant. étudiant au MIT et est maintenant specialist de projet avec la société d’ingénierie Simpson, Gumpertz & Heger, a effectué des analyses supplémentaires sur les échantillons.
« Chacun des outils que nous avons utilisés a ajouté un indice sur les processus dans le mortier », dit-elle. La microscopie électronique à balayage a montré les microstructures des briques de mortier à l’échelle du micron. La spectrométrie à rayons X à dispersion d’énergie a montré les éléments constituant chacun de ces blocs de design. « Ces informations nous permettent d’explorer rapidement différentes zones du mortier, et nous pourrions choisir des éléments de foundation liés à nos issues », dit-elle. L’astuce, ajoute-t-elle, consiste à toucher précisément la même cible de bloc de design avec chaque instrument lorsque cette cible n’a que la largeur d’un cheveu.
Pourquoi le béton de la tombe de Caecilia est-il si one of a kind ?
Dans les épais murs de béton de la tombe de Caecilia Metella, un mortier contenant du téphra volcanique de la coulée pyroclastique voisine de Pozzolane Rosse (une masse dense de téphra chaud et de gaz éjectés de manière explosive par le volcan voisin d’Alban Hills) lie de gros morceaux de brique et d’agrégat de lave. C’est à peu près le même mortier utilisé dans les murs des Halles de Trajan 120 ans as well as tard.
Dans une analyse précédente du mortier Markets of Trajan, Jackson, Tamura et leurs collègues ont exploré la « colle » du mortier, un élément constitutif appelé stage de liaison C-A-S-H (calcium-aluminium-silicate-hydrate), ainsi qu’un minéral appelé strätlingite. Les cristaux de strätlingite bloquent la propagation des microfissures dans le mortier, les empêchant de se lier entre elles et de fracturer la construction en béton.
Mais le téphra que les Romains utilisaient pour le mortier Caecilia Metella était furthermore abondant en leucite riche en potassium. Des siècles d’eau de pluie et d’eau souterraine percolant à travers les murs de la tombe ont dissous la leucite et libéré le potassium dans le mortier. Dans le béton moderne, une telle inondation de potassium créerait des gels expansifs qui provoqueraient des microfissures et un éventuel écaillage et une détérioration de la framework.
Dans la tombe, cependant, le potassium a dissous et reconfiguré la phase de liaison C-A-S-H. Seymour dit que les procedures de microdiffraction des rayons X et de spectroscopie Raman leur ont permis d’explorer comment le mortier avait changé. « Nous avons vu des domaines C-A-S-H qui étaient intacts après 2 050 ans et certains qui étaient en educate de se diviser, effilés ou autrement différents en morphologie », dit-elle. La microdiffraction des rayons X, en particulier, a permis une analyse des domaines filiformes jusqu’à leur composition atomique. « Nous voyons que les domaines vaporeux prennent une character nanocristalline », dit-elle.
Les domaines remodelés « créent évidemment des composants robustes de cohésion dans le béton », explique Jackson. Dans ces structures, contrairement aux Marchés de Trajan, il y a beaucoup moins de strätlingite formée.
Stefano Roascio, l’archéologue en charge de la tombe, be aware que l’étude est très pertinente pour comprendre d’autres structures en béton anciennes et historiques qui utilisent le granulat de Pozzolane Rosse.
Admir Masic, professeur agrégé de génie civil et environnemental au MIT, affirme que l’interface entre les granulats et le mortier de tout béton est fondamentale pour la durabilité de la construction. Dans le béton moderne, dit-il, les réactions alcali-silice qui forment des gels expansifs peuvent compromettre les interfaces même du béton le in addition durci.
« Il s’avère que les zones interfaciales dans le béton romain antique de la tombe de Caecilia Metella évoluent constamment grâce à un remodelage à lengthy terme », dit-il. « Ces processus de remodelage renforcent les zones interfaciales et contribuent potentiellement à l’amélioration des performances mécaniques et de la résistance à la défaillance du matériau ancien. »
Pouvons-nous recréer cet effet aujourd’hui ?
Jackson et ses collègues s’efforcent de reproduire certains des succès des Romains dans les bétons modernes, en particulier dans le cadre d’un projet ARPA-e du département américain de l’Énergie visant à encourager des agrégats similaires et avantageusement réactifs dans les bétons qui utilisent des magmatiques cellulaires d’ingénierie à la area du téphra de l’ancien structures romaines. L’objectif, selon l’ARPA-e, est qu’un béton de type romain puisse réduire de 85 % les émissions énergétiques de la manufacturing et de l’installation de béton et quadrupler la durée de vie de 50 ans des bétons marins modernes.
« Se concentrer sur la conception de bétons modernes avec des zones interfaciales à renforcement frequent pourrait nous fournir une autre stratégie pour améliorer la durabilité des matériaux de design modernes », a déclaré Masic. « Faire cela grâce à l’intégration de la « sagesse romaine » éprouvée fournit une stratégie long lasting qui pourrait améliorer la longévité de nos options modernes par des ordres de grandeur. »
