La découverte du ciment Le mélange de chaux, d'argile, de sable et d'eau est très ancien. Les Égyptiens l'utilisaient déjà aux alentours de -2600 : un des mortiers les plus anciens est celui de la pyramide d'Abou Rawash, qui fut probablement érigée sous la D'après ..
Le béton romain
À partir du , les Romains firent grand usage du béton. La systématisation de la construction en béton (opus caementicium) permet des réalisations architecturales remarquables, notamment le Panthéon. Ces structures sont restées intactes durant deux millénaires sous des climats variés, dans des zones sismiques et même en contact direct avec l'eau de la mer..
Pour arriver à ce résultat, les Romains améliorèrent le « liant » en y ajoutant le sable volcanique de PouzzolesVitruve, De Architectura, Livre 2, Chap. 6 et Pline l'Ancien, Histoire Naturelle, Livre 35, Chap. 47., ou de la tuile broyée (tuileau), ce qui permettait le durcissement sous l'eau ("curage"). Comme le dit Vitruve dans son De architectura (Livre II, Chapitre 6), le mortier peut résister à l'eau et même faire prise en milieu très humide. Selon l'explication traditionnelle, cette propriété serait due à la présence d'une grande quantité de silicate d'alumine. En ajoutant de la pouzzolane à la chaux aérienne, on la transforme artificiellement en chaux hydraulique. En 1818, Louis Vicat expliquera les principes de cette réaction dans sa théorie de l'hydraulicitéLouis Joseph Vicat, Traité pratique et théorique de la composition des mortiers, ciments et gangues a pouzzolanes et de leur emploi dans toutes sortes de travaux. Consulter en ligne..
Ce n'est toutefois qu'en 2023 qu'une équipe du M.I.T. a identifié l’ingrédient-clé de ce béton extraordinaire : :
Selon les chercheurs du MIT, on devrait s'inspirer de la méthode romaine pour réduire l'empreinte carbone du béton (qui représente 8 % des émissions mondiales), tout en lui conférant une longévité beaucoup plus grande et une capacité d'autoréparation d'éventuelles fissures .
En souvenir de l'usage qu'on fit de la pouzzolane, les cendres volantes silico-alumineuses issues de la combustion des charbons schisteux brûlés en centrale thermique, employées dans la confection des ciments contemporains, sont également appelées « pouzzolane »Fonds de formation professionnel de la construction. Bruxelles. 1992., de même que tous les matériaux et roches aux vertus pouzzolaniques.
Le ciment moderne Dans la seconde moitié du , l'Anglais John Smeaton entrevoit le rôle que joue l'argile dans l'hydraulicité de certains calcaires. En 1779, Bry Higgins publie ses recherches sur l'importance de la granulométrie des sables destinés à la confection des mortiers, et Jean-Antoine Chaptal établit que les pouzzolanes françaises peuvent sans dommage être substituées aux pouzzolanes italiennes. En 1791, le pasteur anglican James Parker découvre les propriétés des roches naturelles de l'île de Sheppey. Selon A. Maché, cette découverte est le véritable point de départ de l'industrie des ciments naturelsCf. A. Maché, op. cit., ..
La découverte du ciment artificiel est attribuée en France à Louis Vicat, jeune polytechnicien et ingénieur de l'école nationale des ponts et chaussées. En 1818, il fut le premier au monde à fabriquer, de manière contrôlée, des chaux hydrauliques dont il détermina les composants ainsi que les proportions. Préférant la satisfaction 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 le premier brevet et crée la marque ciment de Portland. En 1855, Louis Vicat et son fils Joseph édifient le premier pont en béton coulé du monde : le pont du Jardin des plantes de Grenoble.
Les premières usines françaises de ciment Portland artificiel datent des années 1850 (cimenterie Vicat du Genevrey), celles de ciment de grappier de 1870. La fabrication de ciment de laitier date de 1890.
En 1908, Jules Bied, directeur du laboratoire de la société Pavin de Lafarge, découvre le Ciment Fondu, fabriqué à partir de calcaire et de bauxite, alors qu'il était à la recherche d'un liant hydraulique qui ne soit attaqué ni par l'eau de mer ni par les eaux sulfatées.
Le béton moulé et les pierres factices de ciment moulé Le béton de ciment est apparu en architecture grâce aux bétons moulés et aux pierres factices, imitation des pierres de taille coulées en béton ; souvent du béton de ciment prompt naturel.
La pratique du moulage débuta au début du dans les régions où l'on connaissait déjà le banchage du pisé et grâce à la rapidité de prise du ciment prompt naturel (dit aussi ciment romain). François Cointeraux faisait déjà des moulages à Lyon et Grenoble à la fin du . François-Martin Lebrun en fit dans la région de Montauban vers 1830. Il bâtit notamment le petit pont de Grésol en 1835. François Coignet fut l'un des plus importants promoteurs du béton moulé. En 1855, cet industriel lyonnais érigea son usine de Saint-Denis (Paris) en béton-pisé, matériau qu'il fit breveter. Dès lors, il ne cessa d'en faire la promotion, sans réellement parvenir à ses fins du fait qu'il s'opposait aux grands bâtisseurs parisiens.
La pierre factice eut un succès dans le nord de la France dans les années 1830 grâce aux ciments prompts de Vassy Joudrier (Yonne) et de Pouilly-en-Auxois et surtout un véritable succès dans les Alpes, région de Grenoble, et le sud de la France grâce aux ciments prompts naturels de Grenoble à partir des années 1840 : Ciment de la Porte de France par Dumolard et Viallet, Ciment d'Uriol dans la vallée de la Gresse par Berthelot et Vicat (qui y fonda sa première cimenterie) et Ciment de la Pérelle toujours par la société Vicat. Aujourd'hui, seuls La Porte de France et la Pérelle, propriétés de Vicat, produisent du ciment prompt naturel en Europe. On moulait tout, canalisation d'égouts, vases, statues, balustrades, pierres d'angles, de claveaux, corniches, modillons, etc. Cette pratique s'est répandue ensuite dans de nombreuses grandes villes d'Europe : Madrid, Vienne, Budapest, Bratislava, Cracovie ainsi qu'en Afrique du Nord, Alger et Tunis. Les villes du nord de l'Italie ont aussi utilisé le ciment moulé, grâce au prompt importé de Grenoble puis avec leurs ciments. Milan, Turin et Gênes sont très connues pour cela (Galeria Vittorio-Emmanuelle de Milan). Mais il s'agit-là de technique héritée des stuccatori, ciment moulé en décoration sur la structure souvent de brique, non de pierres factices faisant partie intégrante de la structure comme en France.
L'église Sainte-Marguerite du Vésinet réalisée en 1864 par l'architecte L.A. Boileau suivant le procédé Coignet de construction de béton aggloméré imitant la pierre, passe pour être le premier bâtiment non industriel réalisé en béton en France. Il y en a eu de bien antérieurs, notamment la maison de Coignet à Saint-Denis. Mais cette église fut très critiquée lors de sa réalisation en raison de sa morphologie mais aussi du procédé Coignet qui a provoqué très rapidement des marbrures noires sur les murs (en raison de présence de mâchefer dans le béton). Boileau lui-même n'appréciait pas le béton et fit beaucoup pour dévaloriser le matériau. Dans l’Isère, aux alentours de Grenoble, on bâtissait de nombreuses maisons et surtout des églises avec des éléments architectoniques de ciment moulé comme l'église de Cessieu qui date de 1850, celle de Champier de 1853 ou encore l'église Saint-Bruno de Voiron (1857-1871). Saint-Bruno de Grenoble (1869-1875) est entièrement en pierres factices de ciment prompt moulé.
Les armatures avec le mortier armé L'armature de métal dans les mortiers provient des techniques de moulage en sculpture et fut utilisé d'abord par des jardiniers expérimentateurs. Joseph-Louis Lambot à Miraval fabriqua en 1845 des caisses pour orangers et réservoirs avec du fil de fer et du mortier, en 1849 une barque, pour son lac, et enfin en 1855 il posa un brevet : le "ferciment", une combinaison de fer et de mortier pour les constructions navales et les caisses à fleur. Il construisit un canot en 1855 qui passa inaperçu à l'Exposition universelle de Paris. Joseph Monier déposa en 1867, à Paris, une demande pour « un système de caisses-bassins mobiles en fer et ciment applicables à l'horticulture ». Les années suivantes, il déposa des additifs et constitua systématiquement des procédés d'architecture.
Le mortier armé était un procédé trop coûteux et trop fragile pour être utilisé en architecture.
L’église Saint-Jean de Montmartre en 1894-1904 (briques enfilée sur barres métalliques et remplies de mortier) et la toiture en voûte du théâtre de Tulle d'Anatole de Baudot en sont de rares exemples. L'architecte utilise le procédé économique de construction en mortier armé breveté par l'ingénieur Paul Cottancin. Ce système consiste en une sorte de toile métallique dont la trame et la chaîne sont formées par le même fil de fer ; les parois sont constituées de briques empilées.
L'invention du béton armé
En Angleterre, des entrepreneurs comme Alexander Payne et plus sérieusement Thaddeus Hyatt, tentèrent dans les années 1870 d'apprivoiser les armatures dans les bétons mais furent désavoués par des contradicteurs et quelques infortunes. Aux États-Unis, les armatures métalliques du béton furent dévoilées par William E. Ward et exploitées par Ernest Leslie Ransome, avec ses fers Ransome dans les années 1880. En France, il fallut attendre la maîtrise du béton armé, les réflexions techniques d'ingénieurs pour voir apparaître un véritable intérêt cimentier. Joseph Monier dépose le premier brevet sur une poutre en béton armé. Il a déposé ses brevets à l'étranger. Ferdinand Cheval avec la construction de son Palais idéal, développe en autodidacte en 1879, une technique novatrice qui ressemble au béton armé (à base de tiges de fer / d'armatures métalliques et de chaux). Il contribua ainsi à la connaissance de ce processus de construction consistant à armer le béton. Vers 1880, Louis Janicaud construisit, rue Victor Hugo à Mâcon, l’une des premières habitations françaises en béton armé. François Hennebique abandonna ainsi son métier d'entrepreneur en 1892 et devint ingénieur consultant. Il eut un succès considérable, créa une société de franchise en construction, basée sur la concession du Système Hennebique, et bâtit des dizaines de milliers d'édifices, tant en France qu'à l'étranger. Il publia du () au (), la revue technique et documentaire Le Béton armé, organe de communication, destiné aux agents et concessionnaires de son système de construction en béton armé.. Cela lui permit de faire connaître ses travaux, et à la charpenterie monolithe d'éliminer le ciment armé trop mince, comme à son immeuble de la rue Danton à Paris en 1898 et sa villa-témoin à Bourg-la-Reine, construite entre 1894 et 1904, à la fois maison, son bureau d'études, les Bétons Armés Hennebique (BAH), salon de réception, immeuble qui est lui-même une prouesse technique. Son bureau d'études BAH., fondé en 1894 disparaitra en 1967, après avoir traité près de .. Edmond Coignet et Napoléon de Tédesco ont communiqué, les premiers en 1894, un mode de calcul rationnel des ouvrages en béton aggloméré et en ciment armé. Leurs hypothèses, teintées d'empirisme, ont été précisées en 1899 par Paul Christophe. En Allemagne, le béton armé s'est développé à partir du rachat des licences déposées en 1881 par Joseph Monier avec la création de l'entreprise de béton armé C. Freytag und G. A. Wayss. Le béton armé y a d'abord été connu sous le nom de Monierbau.
L'ère des technologies