Le béton était le fondement de l'Empire romain. Il a permis la célèbre révolution architecturale de Rome ainsi que la construction de bâtiments, de ponts et d'aqueducs, dont beaucoup sont encore utilisés quelque 2 000 ans après leur construction.
En 2023, Admir Masic, professeur associé au MIT, et ses collaborateurs ont publié un article décrivant le procédé de fabrication qui conférait au béton romain sa longévité : des fragments de chaux étaient mélangés à des cendres volcaniques et à d'autres ingrédients secs avant l'ajout d'eau. L'ajout d'eau à ce mélange sec produisait de la chaleur.
Lors de la prise du béton, ce procédé de « mélange à chaud » emprisonne et préserve la chaux, très réactive, sous forme de petits fragments blancs, semblables à du gravier. Lorsque des fissures se forment dans le béton, ces fragments de chaux se redissolvent et les comblent, conférant au béton des propriétés d'auto-réparation.
Il y avait cependant un problème : le procédé décrit par l'équipe de Masic différait de celui décrit par le célèbre architecte romain Vitruve.
Vitruve a littéralement écrit l'ouvrage de référence sur l'architecture antique. Son ouvrage majeur, « De architectura », écrit au Ier siècle avant notre ère, est le premier livre connu sur la théorie architecturale. Vitruve y explique que les Romains ajoutaient de l'eau à la chaux pour obtenir une pâte qu'ils mélangeaient ensuite à d'autres ingrédients.
« Étant donné le profond respect que je porte à Vitruve, il m'était difficile de suggérer que sa description puisse être inexacte », explique Masic. « Les écrits de Vitruve ont joué un rôle déterminant en éveillant mon intérêt pour l'architecture romaine antique, et les résultats de mes recherches ont contredit ces textes historiques importants. »
Masic et ses collaborateurs ont confirmé que le mélange à chaud était bel et bien utilisé par les Romains. Cette conclusion repose sur l'étude d'un site de construction antique récemment découvert à Pompéi, remarquablement bien conservé par l'éruption du Vésuve en 79 apr. J.-C.
Ils ont également caractérisé les cendres volcaniques mélangées à la chaux par les Romains, découvrant une surprenante diversité de minéraux réactifs. Ces minéraux contribuaient à la capacité du béton à s'autoréparer, de nombreuses années après la construction de ces édifices monumentaux.
« Ce matériau revêt une importance historique, mais aussi une importance scientifique et technologique majeure pour sa compréhension », explique Masic. « Ce matériau est capable de s'autoréparer pendant des milliers d'années. Il est réactif et extrêmement dynamique. Il a résisté aux séismes et aux éruptions volcaniques. Il a subsisté sous la mer et a résisté à l'érosion due aux intempéries. Nous ne cherchons pas à copier le béton romain à l'identique. Nous voulons simplement intégrer quelques principes de ce savoir ancestral à nos pratiques de construction modernes. »
Ces découvertes sont publiées dans la revue Nature Communications. Parmi les premiers auteurs de l'article, on retrouve Ellie Vaserman et James Weaver, chercheur principal, ainsi que la professeure agrégée Kristin Bergmann, la doctorante Claire Hayhow et six autres collaborateurs italiens.
À la découverte des secrets antiques
Masic a consacré près de dix ans à l'étude de la composition chimique du béton qui a permis aux célèbres édifices de Rome de traverser les siècles bien plus longtemps que leurs homologues modernes. Son article de 2023 analysait la composition chimique du matériau afin d'en déduire son procédé de fabrication.
Cet article s'appuyait sur des échantillons provenant d'un mur d'enceinte de Priverno, dans le sud-ouest de l'Italie, ville conquise par les Romains au IVe siècle avant notre ère. Cependant, on s'interrogeait sur la représentativité de ce mur par rapport aux autres structures en béton construites dans tout l'Empire romain.
La récente découverte par des archéologues d'un ancien chantier de construction en activité à Pompéi (avec des stocks de matières premières et des outils) a donc offert une opportunité sans précédent.
Pour cette étude, les chercheurs ont analysé des échantillons provenant de ces stocks de matériaux secs prémélangés, d'un mur en construction, de contreforts et de murs porteurs achevés, ainsi que de réparations de mortier sur un mur existant.
« Nous avons eu la chance d'ouvrir cette véritable capsule temporelle qu'était un chantier et d'y découvrir des tas de matériaux prêts à être utilisés pour la construction du mur », explique Masic. « Avec cette étude, nous souhaitions définir précisément une technologie et l'associer à la période romaine, en l'an 79 de notre ère. »
Le site a fourni la preuve la plus convaincante à ce jour que les Romains utilisaient le mélange à chaud pour la production de béton. Non seulement les échantillons de béton contenaient les fragments de chaux décrits dans l'étude précédente de Masic, mais l'équipe a également découvert des fragments intacts de chaux vive, prémélangés à d'autres ingrédients dans un tas de matières premières sèches – une première étape cruciale dans la préparation du béton à chaud.
Bergman, professeur associé en sciences de la Terre et des planètes, a contribué à la mise au point d'outils permettant de différencier les matériaux présents sur le site.
« Grâce à ces études d'isotopes stables, nous avons pu suivre ces réactions de carbonatation essentielles au fil du temps, ce qui nous a permis de distinguer la chaux vive de la chaux éteinte décrite initialement par Vitruve », précise Masic.
Ces résultats ont révélé que les Romains préparaient leur liant en broyant de la chaux vive (calcaire calciné) jusqu'à une certaine granulométrie, en la mélangeant à sec avec des cendres volcaniques, puis en y ajoutant de l'eau pour former une matrice cimentaire.
Les chercheurs ont également analysé les composants volcaniques du ciment, notamment un type de cendre volcanique appelé pierre ponce. Ils ont constaté que les particules de pierre ponce réagissaient chimiquement avec la solution interstitielle environnante au fil du temps, créant ainsi de nouveaux dépôts minéraux qui renforçaient le béton.
Réécrire l'histoire
Masic affirme que les archéologues cités comme co-auteurs de l'article ont été indispensables à l'étude. Lorsqu'il a découvert le site de Pompéi et inspecté la zone de travail parfaitement conservée, les larmes lui sont venues aux yeux.
« Je m'attendais à voir des ouvriers romains se promener entre les tas de terre avec leurs outils », raconte-t-il. « C'était tellement vivant, on avait l'impression d'être transporté dans le temps. Alors oui, j'ai été très ému en contemplant un tas de terre. Les archéologues ont plaisanté. »
Masic souligne que le calcium est un composant essentiel des bétons anciens et modernes. Comprendre son évolution dans le temps est donc précieux pour appréhender les processus dynamiques à l'œuvre dans le ciment moderne. Dans cette optique, Masic a également fondé une entreprise, DMAT, qui s'inspire des enseignements tirés du béton romain antique pour créer des bétons modernes durables.
« C'est important car le ciment romain est durable, auto-réparateur et constitue un système dynamique », explique Masic. « La façon dont ces pores présents dans les ingrédients volcaniques peuvent se remplir par recristallisation est un procédé idéal que nous souhaitons transposer dans nos matériaux modernes. Nous voulons des matériaux autorégénérants. »
Quant à Vitruve, Masic suppose qu'il a peut-être été mal interprété. Il souligne que Vitruve mentionne également la chaleur latente lors du mélange du ciment, ce qui pourrait finalement suggérer un mélange à chaud.
Lien vers l'étude:
- Admir Masic, An unfinished Pompeian construction site reveals ancient Roman building technology, Nature Communications (2025)






















