Die alten Römer waren Meister des Bauens und der Ingenieurskunst, wovon vielleicht die Aquädukte am berühmtesten sind. Und diese immer noch funktionsfähigen Wunderwerke basieren auf einem einzigartigen Baumaterial: Puzzolanbeton, einem spektakulär haltbaren Beton, der römischen Bauwerken ihre unglaubliche Festigkeit verlieh.
Noch heute hält eines ihrer Bauwerke – das noch intakte und fast 2.000 Jahre alte Pantheon – den Rekord für die weltweit größte Kuppel aus unbewehrtem Beton.
Die Eigenschaften dieses Betons werden im Allgemeinen auf seine Inhaltsstoffe zurückgeführt: Puzzolan, eine Mischung aus Vulkanasche – benannt nach der italienischen Stadt Pozzuoli, wo sich ein bedeutendes Vorkommen davon befindet – und Kalk. Beim Mischen mit Wasser können die beiden Materialien zu starkem Beton reagieren.
Aber das ist, wie sich herausstellt, nicht die ganze Geschichte. Im Jahr 2023 stellte ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) fest, dass sich nicht nur die Materialien geringfügig von dem unterscheiden, was wir vielleicht angenommen haben, sondern auch die Techniken, mit denen sie gemischt wurden.
Die rauchenden Waffen waren kleine, weiße Kalkbrocken, die in scheinbar gut gemischtem Beton zu finden sind. Das Vorhandensein dieser Brocken wurde zuvor auf eine schlechte Mischung oder schlechte Materialien zurückgeführt, aber das ergab für den Materialwissenschaftler Admir Masic vom MIT keinen Sinn.
„Die Vorstellung, dass das Vorhandensein dieser Kalkklasten einfach auf eine unzureichende Qualitätskontrolle zurückzuführen ist, hat mich immer gestört“, sagte Masic bereits im Januar 2023.
„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.“
Masic und das Team unter der Leitung der MIT-Bauingenieurin Linda Seymour untersuchten sorgfältig 2.000 Jahre alte Proben römischen Betons aus der archäologischen Stätte Privernum in Italien. Diese Proben wurden einer großflächigen Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiven Röntgenspektroskopie, Pulverröntgenbeugung und konfokaler Raman-Bildgebung unterzogen, um ein besseres Verständnis der Kalkklasten zu erlangen.
Eine der Fragen, die im Hinterkopf standen, war die Art des verwendeten Kalks. Das gängige Verständnis von puzzolanischem Beton besteht darin, dass er gelöschten Kalk verwendet. Zunächst wird Kalkstein bei hohen Temperaturen erhitzt, um ein hochreaktives ätzendes Pulver namens Branntkalk oder Calciumoxid zu erzeugen.
Durch das Mischen von Branntkalk mit Wasser entsteht gelöschter Kalk oder Calciumhydroxid: eine etwas weniger reaktive, weniger ätzende Paste. Der Theorie zufolge war es dieser gelöschte Kalk, den die alten Römer mit der Puzzolane vermischten.
Basierend auf der Analyse des Teams stimmen die Kalkklasten in ihren Proben nicht mit dieser Methode überein. Vielmehr wurde römischer Beton wahrscheinlich durch direktes Mischen des Branntkalks mit Puzzolan und Wasser bei extrem hohen Temperaturen hergestellt, allein oder zusätzlich zu gelöschtem Kalk, ein Prozess, den das Team „Heißmischen“ nennt und der zur Bildung von Kalkklumpen führt.
„Das Heißmischen hat zwei Vorteile“, sagte 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.“
Und es hat noch einen weiteren Vorteil: Die Kalkschlammchen verleihen dem Beton bemerkenswerte Selbstheilungskräfte.
Wenn sich im Beton Risse bilden, wandern diese bevorzugt zu den Kalkklasten, die eine größere Oberfläche als andere Partikel in der Matrix haben. Wenn Wasser in den Riss eindringt, reagiert es mit dem Kalk und bildet eine kalziumreiche Lösung, die trocknet und zu Kalziumkarbonat aushärtet, den Riss wieder zusammenklebt und eine weitere Ausbreitung verhindert.
Dies wurde im Beton einer anderen 2.000 Jahre alten Stätte, dem Grab von Caecilia Metella, beobachtet, wo Risse im Beton mit Calcit gefüllt wurden. Dies könnte auch erklären, warum römischer Beton aus vor 2.000 Jahren errichteten Deichen trotz der ständigen Zerstörung des Ozeans über Jahrtausende hinweg intakt überlebt hat.
Daher testete das Team seine Erkenntnisse, indem es Puzzolanbeton nach alten und modernen Rezepten unter Verwendung von Branntkalk herstellte. Außerdem stellten sie einen Kontrollbeton ohne Branntkalk her und führten Rissprüfungen durch. Tatsächlich war der gerissene Branntkalkbeton innerhalb von zwei Wochen vollständig ausgeheilt, der Kontrollbeton blieb jedoch rissig.
Das Team arbeitet derzeit an der Kommerzialisierung seines Betons als umweltfreundlichere Alternative zu aktuellen Betonen.
„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“, sagte Masic.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
Eine Version dieses Artikels wurde erstmals im Januar 2023 veröffentlicht.