Warum war römischer Beton so langlebig?

Die alten Römer waren Meister der Ingenieurskunst und bauten riesige Straßennetze, Aquädukte, Häfen und massive Gebäude, deren Überreste zwei Jahrtausende überdauert haben. Viele dieser Bauwerke wurden aus Beton gebaut: Roms berühmtes Pantheon, das über die größte unbewehrte Betonkuppel der Welt verfügt und im Jahr 128 n. Chr. eingeweiht wurde, ist noch intakt, und einige antike römische Aquädukte versorgen Rom noch heute mit Wasser. Mittlerweile sind viele moderne Betonkonstruktionen nach einigen Jahrzehnten zerfallen.

Forscher haben jahrzehntelang versucht, das Geheimnis dieses extrem haltbaren antiken Baumaterials zu lüften, insbesondere bei Bauwerken, die besonders rauen Bedingungen standhalten, wie etwa Docks, Abwasserkanäle und Ufermauern, oder solchen, die an seismisch aktiven Orten errichtet wurden.

Jetzt hat ein Forscherteam des MIT, der Harvard University und Labors in Italien und der Schweiz Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht und alte Betonherstellungsstrategien entdeckt, die mehrere wichtige Selbstheilungsfunktionen beinhalteten.Die Ergebnisse werden veröffentlichtin der Zeitschrift Science Advances, in einem Artikel des MIT-Professors für Bau- und Umweltingenieurwesen Admir Masic, der ehemaligen Doktorandin Linda Seymour und vier weiteren.

Seit vielen Jahren gehen Forscher davon aus, dass der Schlüssel zur Haltbarkeit des antiken Betons auf einer Zutat beruhte: puzzolanischem Material wie Vulkanasche aus der Gegend von Pozzuoli in der Bucht von Neapel. Diese spezielle Art von Asche wurde sogar in das ganze riesige Römische Reich verschifft, um sie im Bauwesen zu verwenden, und wurde in Berichten von Architekten und Historikern zu dieser Zeit als Schlüsselbestandteil für Beton beschrieben.

Bei näherer Betrachtung zeigen diese antiken Proben auch kleine, charakteristische, leuchtend weiße Mineralmerkmale im Millimeterbereich, die seit langem als allgegenwärtiger Bestandteil römischer Betone gelten. Diese weißen Brocken, oft als „Kalkklasten“ bezeichnet, stammen aus Kalk, einem weiteren wichtigen Bestandteil der alten Betonmischung. „Seit ich angefangen habe, mit antikem römischem Beton zu arbeiten, war ich von diesen Eigenschaften fasziniert“, sagt Masic. „Diese sind in modernen Betonformulierungen nicht zu finden. Warum sind sie also in diesen alten Materialien vorhanden?“

Die neue Studie, die zuvor lediglich als Beweis für schlampige Mischpraktiken oder minderwertige Rohstoffe vernachlässigt wurde, legt nahe, dass diese winzigen Kalkklumpen dem Beton eine bisher nicht erkannte Selbstheilungsfähigkeit verliehen. „Der Gedanke, dass das Vorhandensein dieser Kalkklasten einfach auf eine unzureichende Qualitätskontrolle zurückzuführen ist, hat mich immer gestört“, sagt Masic. „Wenn die Römer so viel Mühe darauf verwendet haben, ein hervorragendes Baumaterial herzustellen und dabei alle detaillierten Rezepte zu befolgen, die im Laufe vieler Jahrhunderte optimiert wurden, warum sollten sie sich dann so wenig Mühe geben, um die Herstellung eines gut gemischten Endprodukts sicherzustellen?“ „In dieser Geschichte muss mehr sein.“

Durch die weitere Charakterisierung dieser Kalkklasten mithilfe hochauflösender Multiskalenbildgebung und chemischer Kartierungstechniken, die im Forschungslabor von Masic entwickelt wurden, gewannen die Forscher neue Erkenntnisse über die potenzielle Funktionalität dieser Kalkklasten.

In der Vergangenheit ging man davon aus, dass bei der Einarbeitung von Kalk in römischen Beton dieser zunächst mit Wasser zu einem hochreaktiven pastösen Material vermischt wurde, ein Prozess, der als Löschen bezeichnet wird. Aber dieser Prozess allein konnte das Vorhandensein der Kalkklasten nicht erklären. Masic fragte sich: „War es möglich, dass die Römer tatsächlich Kalk in seiner reaktiveren Form, bekannt als Branntkalk, direkt verwendet haben?“

Er und sein Team untersuchten Proben dieses alten Betons und stellten fest, dass die weißen Einschlüsse tatsächlich aus verschiedenen Formen von Kalziumkarbonat bestanden. Und die spektroskopische Untersuchung lieferte Hinweise darauf, dass diese bei extremen Temperaturen entstanden waren, wie man es von der exothermen Reaktion erwarten würde, die durch die Verwendung von Branntkalk anstelle oder zusätzlich zum gelöschten Kalk in der Mischung entsteht. Das Team ist nun zu dem Schluss gekommen, dass das Heißmischen tatsächlich der Schlüssel zu der extrem haltbaren Natur war.

„Das Heißmischen hat zwei Vorteile“, sagt Masic. „Erstens werden beim Erhitzen des gesamten Betons auf hohe Temperaturen chemische Prozesse ermöglicht, die bei der ausschließlichen Verwendung von gelöschtem Kalk nicht möglich wären, wodurch hochtemperaturbedingte Verbindungen entstehen, die sich sonst nicht bilden würden. Zweitens verringert diese erhöhte Temperatur die Aushärtung und das Abbinden deutlich.“ Zeiten, da alle Reaktionen beschleunigt werden, was eine viel schnellere Konstruktion ermöglicht.“

Während des heißen Mischprozesses entwickeln die Kalkklasten eine charakteristisch spröde nanopartikuläre Architektur, wodurch eine leicht zerbrechliche und reaktive Kalziumquelle entsteht, die, wie das Team vorschlug, eine entscheidende Selbstheilungsfunktion bieten könnte. Sobald sich im Beton winzige Risse bilden, können diese bevorzugt durch die großflächigen Kalkklasten wandern. Dieses Material kann dann mit Wasser reagieren und eine mit Kalzium gesättigte Lösung erzeugen, die als Kalziumkarbonat rekristallisieren und den Riss schnell füllen kann, oder mit puzzolanischen Materialien reagieren, um das Verbundmaterial weiter zu verstärken. Diese Reaktionen laufen spontan ab und heilen die Risse daher automatisch, bevor sie sich ausbreiten. Frühere Unterstützung für diese Hypothese wurde durch die Untersuchung anderer römischer Betonproben gefunden, die mit Calcit gefüllte Risse aufwiesen.

Um zu beweisen, dass dies tatsächlich der Mechanismus war, der für die Haltbarkeit des römischen Betons verantwortlich war, stellte das Team Proben von Heißbeton her, der sowohl alte als auch moderne Formulierungen enthielt, riss sie absichtlich auf und ließ dann Wasser durch die Risse laufen. Und tatsächlich: Innerhalb von zwei Wochen waren die Risse vollständig verheilt und das Wasser konnte nicht mehr fließen. Ein identischer Betonblock ohne Branntkalk heilte nie und das Wasser floss einfach weiter durch die Probe. Als Ergebnis dieser erfolgreichen Tests arbeitet das Team an der Kommerzialisierung dieses modifizierten Zementmaterials.

„Es ist spannend darüber nachzudenken, wie diese haltbareren Betonformulierungen nicht nur die Lebensdauer dieser Materialien verlängern könnten, sondern auch, wie sie die Haltbarkeit von 3D-gedruckten Betonformulierungen verbessern könnten“, sagt Masic.

Er hofft, dass diese Bemühungen durch die verlängerte Funktionslebensdauer und die Entwicklung leichterer Betonformen dazu beitragen könnten, die Umweltauswirkungen der Zementproduktion zu verringern, die derzeit etwa acht Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen ausmacht. Zusammen mit anderen neuen Formulierungen, etwa Beton, der tatsächlich Kohlendioxid aus der Luft absorbieren kann, einem weiteren aktuellen Forschungsschwerpunkt des Masic-Labors, könnten diese Verbesserungen dazu beitragen, die globalen Klimaauswirkungen von Beton zu verringern.

Zum Forschungsteam gehörten Janille Maragh vom MIT, Paolo Sabatini vom DMAT in Italien, Michel Di Tommaso vom Instituto Meccanica dei Materiali in der Schweiz und James Weaver vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University. Die Arbeiten wurden mit Unterstützung des Archäologischen Museums von Priverno, Italien, durchgeführt.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website des Massachusetts Institute of Technology veröffentlicht