Diese Chemiker haben den Code für langlebigen römischen Beton geknackt

MIT-Chemiker Admir Masic hoffte wirklich, dass sein Experiment nicht explodieren würde.

Masic und seine Kollegen versuchten, eine alte römische Technik zur Herstellung von Beton, einer Mischung aus Zement, Kies, Sand und Wasser, nachzubilden. Die Forscher vermuteten, dass der Schlüssel ein Prozess namens „Heißmischen“ war, bei dem trockenes Granulat aus Kalziumoxid, auch Branntkalk genannt, mit Vulkanasche gemischt wird, um den Zement herzustellen. Dann wird Wasser hinzugefügt.

Heißes Mischen, so dachten sie, würde letztendlich einen Zement ergeben, der nicht vollständig glatt und gemischt ist, sondern stattdessen kleine kalziumreiche Steine ​​enthält. Diese kleinen Felsen, allgegenwärtig in den Mauern der Betonbauten der Römer, könnten der Schlüssel dafür sein, warum diese Bauwerke den Verwüstungen der Zeit standgehalten haben.

So wird moderner Zement nicht hergestellt. Die Reaktion von Branntkalk mit Wasser ist stark exotherm, was bedeutet, dass viel Hitze entstehen kann – und möglicherweise eine Explosion.

„Jeder würde sagen: ‚Du bist verrückt’“, sagt Masic.

Aber es geschah kein großer Knall. Stattdessen erzeugte die Reaktion nur Wärme, einen feuchten Wasserdampfseufzer – und eine Römer-ähnliche Zementmischung mit kleinen weißen, kalziumreichen Steinen.

Forscher versuchen seit Jahrzehnten, das römische Rezept für die Langlebigkeit von Beton nachzubilden – jedoch mit wenig Erfolg. Die Idee, dass heißes Mischen der Schlüssel war, war eine fundierte Vermutung.

Masic und Kollegen hatten über Texte des römischen Architekten Vitruv und des Historikers Plinius gebrütet, die einige Anhaltspunkte für das weitere Vorgehen boten. Diese Texte nannten zum Beispiel strenge Vorgaben für die Rohstoffe, wie dass der Kalkstein, aus dem der Branntkalk stammt, sehr rein sein muss und dass das Mischen von Branntkalk mit heißer Asche und anschließender Zugabe von Wasser viel Hitze erzeugen könnte.

Die Felsen wurden nicht erwähnt, aber das Team hatte das Gefühl, dass sie wichtig waren.

„In jeder Probe, die wir von antikem römischem Beton gesehen haben, findet man diese weißen Einschlüsse“, in die Wände eingelassene Felsbrocken. Laut Masic war der Ursprung dieser Einschlüsse viele Jahre lang unklar – die Forscher vermuteten vielleicht eine unvollständige Mischung des Zements. Aber das sind die hochorganisierten Römer, von denen wir sprechen. Wie wahrscheinlich ist es, dass „jeder Betreiber [was] nicht richtig mischen und jedes einzelne [building] hat einen Fehler?”

Was wäre, so schlug das Team vor, diese Einschlüsse im Zement wären tatsächlich ein Feature und kein Bug? Die chemischen Analysen der Forscher an solchen in die Wände eingebetteten Gesteinen der archäologischen Stätte Privernum in Italien zeigten, dass die Einschlüsse sehr kalziumreich waren.

Das deutete auf die verlockende Möglichkeit hin, dass diese Felsen den Gebäuden helfen könnten, sich von Rissen aufgrund von Verwitterung oder sogar einem Erdbeben zu heilen. Calcium war bereits griffbereit: Es löste sich auf, sickerte in die Ritzen und kristallisierte wieder aus. Voila! Narbe geheilt.

Aber konnte das Team dies in Aktion beobachten? Schritt eins bestand darin, die Felsen durch heißes Mischen neu zu erstellen und zu hoffen, dass nichts explodierte. Schritt zwei: Testen Sie den römisch inspirierten Zement. Das Team erstellte Beton mit und ohne Heißmischverfahren und testete sie nebeneinander. Jeder Betonblock wurde in zwei Hälften zerbrochen, die Stücke in geringem Abstand voneinander platziert. Dann ließ man Wasser durch den Riss laufen, um zu sehen, wie lange es dauerte, bis das Sickern aufhörte.

„Die Ergebnisse waren umwerfend“, sagt Masic. Die Blöcke mit heiß angemischtem Zement heilten innerhalb von zwei bis drei Wochen. Der Beton, der ohne heiß gemischten Zement hergestellt wurde, heilte überhaupt nicht, berichtet das Team am 6. Januar Wissenschaftliche Fortschritte.

Das Knacken des Rezepts könnte ein Segen für den Planeten sein. Das Pantheon und seine hoch aufragende, detaillierte Betonkuppel haben beispielsweise fast 2.000 Jahre gestanden, während moderne Betonkonstruktionen eine Lebensdauer von vielleicht 150 Jahren haben, und das ist ein Best-Case-Szenario (SN: 10.02.12). Und die Römer hatten keine Stahlbewehrungsstäbe, die ihre Strukturen stützten.

Häufigerer Austausch von Betonkonstruktionen bedeutet mehr Treibhausgasemissionen. Die Betonherstellung ist eine riesige Kohlendioxidquelle für die Atmosphäre, daher könnten langlebigere Versionen diesen CO2-Fußabdruck verringern. „Wir stellen 4 Gigatonnen pro Jahr aus diesem Material her“, sagt Masic. Diese Herstellung produziert bis zu 1 Tonne CO₂ pro Tonne produziertem Beton, was derzeit etwa 8 Prozent des jährlichen globalen CO2-Ausstoßes entspricht₂ Emissionen.

Dennoch, sagt Masic, sei die Betonindustrie resistent gegen Veränderungen. Zum einen gibt es Bedenken, neue Chemie in eine altbewährte Mischung mit wohlbekannten mechanischen Eigenschaften einzubringen. Aber „der größte Engpass in der Branche sind die Kosten“, sagt er. Beton ist billig, und Unternehmen wollen sich nicht aus der Konkurrenz herauspreisen.

Die Forscher hoffen, dass die Wiedereinführung dieser Technik, die sich seit langem bewährt hat und mit geringen zusätzlichen Herstellungskosten verbunden sein könnte, diese beiden Bedenken ausräumen könnte. Tatsächlich setzen sie darauf: Masic und mehrere seiner Kollegen haben ein Startup namens DMAT gegründet, das derzeit nach Startkapital sucht, um mit der kommerziellen Produktion des römisch inspirierten Heißbetons zu beginnen. „Es ist sehr ansprechend, einfach weil es ein Jahrtausende altes Material ist.“