Comment la chimie naturelle a renforcé le béton ancien – ScienceDaily


Un nouveau look à l'intérieur du béton de 2 000 ans, fabriqué à partir de cendres volcaniques, de citron vert (produit de calcaire cuit) et d'eau de mer – a fourni de nouveaux indices à L'évolution de la chimie et des ciments minéraux qui permettent aux anciennes structures portuaires de résister à l'épreuve du temps. La recherche a également inspiré la recherche de la recette originale afin que les fabricants de béton modernes puissent faire comme les Romains l'ont fait.

Une équipe de chercheurs travaillant au laboratoire national du Lawrence Berkeley du Département de l'Énergie (Berkeley Lab) a utilisé des rayons X pour étudier des échantillons de béton romain – d'une ancienne jetée et des sites de brise-lames – à des échelles microscopiques pour en savoir plus sur La composition de leurs ciments minéraux.

Le travail antérieur de l'équipe à Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, un centre de recherche radiologique connu sous le nom de synchrotron, a révélé que les cristaux de tobermorite alumineux, un minéral stratifié, ont joué un rôle clé dans le renforcement du béton à mesure qu'ils grandissaient Dans les particules de citron. La nouvelle étude, publiée aujourd'hui dans American Mineralogist aide les chercheurs à rassembler comment et où ce minéral s'est formé pendant la longue histoire des structures en béton.

Le travail pourrait finalement aboutir à une adoption plus large de techniques de fabrication concrètes ayant moins d'impact sur l'environnement que les procédés modernes de fabrication du ciment Portland, qui nécessitent des fours à haute température. Ils contribuent de manière significative aux émissions industrielles de dioxyde de carbone, qui s'ajoutent à l'accumulation de gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre.

En outre, les chercheurs suggèrent qu'une recette reformulée pour le béton romain pourrait être testée pour des applications telles que des mers et d'autres structures orientées vers l'océan, et peut être utile pour protéger les déchets dangereux.

«À l'ALS, nous cartographions les microstructures de ciment minéral», a déclaré Marie Jackson, une chercheuse en géologie et en géophysique à l'Université de l'Utah qui a dirigé l'étude. "Nous pouvons identifier les différents minéraux et les séquences de cristallisation intriguantes et complexes à l'échelle du micron."

Jackson a déclaré que la chaux (également connue sous le nom d'oxyde de calcium, ou CaO) – exposée à l'eau de mer dans le mélange de béton romain – a probablement réagi avec des cendres volcaniques au début de l'histoire des structures de port massives. Des études antérieures ont montré comment la tobermorite alumineuse a cristallisé dans les restes de citron sur une période de température élevée.

Les nouveaux résultats suggèrent qu'après que la chaux a été consommée via ces réactions chimiques pouzzolaniques (appelées pour les cendres volcaniques trouvées dans les Pozzuoli ou Naples, région d'Italie), une nouvelle période de croissance minérale a commencé.

La nouvelle croissance de la tobermorite alumineuse est souvent associée à des cristaux de phillipsite, un autre minéral. Les minéraux forment des fibres fines et des plaques qui rendent le béton plus résilient et moins sensibles aux fractures au fil du temps. Ils peuvent expliquer une ancienne observation par le scientifique romain Pliny the Elder, qui a estimé que le béton «dès qu'il entre en contact avec les vagues de la mer et est submergé, devient une seule masse de pierre, inexpugnable pour les vagues et chaque Jour plus fort. "

En fait, les Romains s'appuyaient sur la réaction d'un mélange de roche volcanique avec de l'eau de mer pour produire les nouveaux ciments minéraux. Dans de rares cas, les volcans sous-marins, comme le volcan de Surtsey en Islande, produisent les mêmes minéraux présents dans le béton romain.

"Contrairement aux principes du béton moderne à base de ciment", a déclaré Jackson, "Les Romains ont créé un béton pareil à un roche qui se développe dans un échange chimique ouvert avec de l'eau de mer"

.

L'ancienne recette romaine est très différente de celle du béton, a souligné Jackson. Le béton le plus moderne est un mélange de ciment Portland – calcaire, grès, cendre, craie, fer et argile, entre autres ingrédients, chauffé pour former un matériau vitreux mélangé finement au sol avec les «agrégats». Ce sont des matériaux comme le sable ou la pierre concassée qui ne sont pas destinés à réagir chimiquement. Si des réactions se produisent dans ces agrégats, elles peuvent provoquer des expansions indésirables dans le béton.

Pour comprendre les processus chimiques à long terme qui se sont produits dans les structures romaines, les chercheurs ont utilisé des tranches minces et polies du béton avec un microscope électronique en Allemagne pour cartographier la répartition des éléments dans les microstructures minérales.

Ils ont couplé ces analyses avec une technique à l'ALS de Berkeley Lab, connue sous le nom de microdiffraction aux rayons X, et une technique à l'UC Berkeley connue sous le nom de spectroscopie Raman, afin d'en apprendre davantage sur la structure des cristaux dans les échantillons.

Nobumichi Tamura, un scientifique du personnel de la SLA, a déclaré que la ligne de rayons X où les échantillons de béton romains ont été étudiés peut produire des faisceaux concentrés à environ 1 micron ou 1 millième de pouce ", ce qui est utile pour identifier chaque espèce minérale et Cartographier leur distribution. " Le faisceau est presque cent fois plus petit que ce qu'on peut trouver dans un laboratoire conventionnel. La technique des rayons X mesure un signal moyen provenant de nombreux petits grains minéraux, offrant une haute résolution et une collecte rapide des données.

Jackson a ajouté: "Nous pouvons entrer dans les laboratoires naturels minuscules dans le béton, cartographier les minéraux présents, la succession des cristaux qui se produisent, et leurs propriétés cristallographiques. Il a été étonnant ce que nous avons pu trouver . "

Elle a ajouté: "Il s'agit d'un béton qui produit apparemment des ciments minéraux d'aluminium-tobermorite au cours des millénaires". L'étude suggère que ce processus pourrait être utile pour les structures modernes des parois du mur, at-elle dit, ainsi que pour la mise en place de déchets de haut niveau dans des barrières de ciment qui protègent l'environnement environnant.

Jackson travaille avec un ingénieur en géologie pour redécouvrir la recette complexe du béton pour les Romains. Elle mélange l'eau de mer de la baie de San Francisco et de la roche volcanique de l'ouest des États-Unis pour trouver la bonne formule et mène également un projet de forage scientifique pour étudier la production de tobermorite et d'autres minéraux apparentés au volcan de Surtsey en Islande.

Déjà, un nombre croissant de fabricants de béton explorent l'utilisation de roches volcaniques et les processus à faible consommation d'énergie, a déclaré Jackson, ce qui pourrait être gagnant-gagnant pour l'industrie et l'environnement.

L'industrie du béton est grande aux États-Unis, avec des ventes évaluées à environ 50 milliards de dollars en 2015. La production nationale de ciment Portland – le type de ciment produit le plus couramment – a atteint environ 80,4 millions de tonnes en 2015, selon Le US Geological Survey, ou à peu près le poids d'environ 90 Golden Gate Bridges ou 12 Hoover Dams.

Pour que les recettes de béton romaines obtiennent plus de traction, a déclaré Jackson, des structures d'essai seront nécessaires pour évaluer les propriétés à long terme des structures marines construites avec des roches volcaniques et mesurer la façon dont elles s'accumulent contre les propriétés du béton armé , Par exemple.

"Je pense que les gens ne savent vraiment pas comment penser à un matériau qui n'a pas de renforcement en acier", at-elle déclaré.

Lire la suite (en anglais)

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