Warum war römischer Beton so haltbar? Das MIT hat das Rätsel gelöst

Die alten Römer waren Meister der Ingenieurskunst - sie bauten riesige Netze von Straßen, Aquädukten, Häfen und massiven Gebäuden, deren Überreste mittlerweile mehr als zwei Jahrtausende überdauert haben. Viele dieser antiken Bauwerke wurden aus Beton gebaut: Das Pantheon in Rom mit der weltweit größten unverstärkten Betonkuppel, das 128 n. Chr. eingeweiht wurde, ist noch intakt, und einige antike römische Aquädukte liefern noch heute Wasser nach Rom. Viele moderne Betonkonstruktionen hingegen zerfallen nach einigen Jahrzehnten.

Seit Jahrzehnten bemühen sich Forscher, das Geheimnis dieses extrem langlebigen Baumaterials zu ergründen, insbesondere bei Bauwerken, die besonders rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind wie Anlegestellen in Häfen, Abwasserkanäle und Ufermauern, aber auch bei antiken Bauwerken, die an erdbebengefährdeten Orten errichtet wurden.

MIT lüftet Beton-Geheimnis

Jetzt hat ein Team von Forschern des MIT, der Harvard University und Laboratorien in Italien und der Schweiz Fortschritte auf diesem Gebiet erzielt und alte Betonherstellungsstrategien entdeckt, die mehrere wichtige Selbstheilungsfunktionen beinhalten. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht, in einem Artikel des MIT-Professors für Bau- und Umweltingenieurwesen Admir Masic, der ehemaligen Doktorandin Linda Seymour und vier weiteren Autoren.

Seit Jahren gehen Forscher davon aus, dass der Schlüssel zur Langlebigkeit des antiken Betons auf einer Zutat beruht: puzzolanisches Material wie Vulkanasche aus der Gegend von Pozzuoli am Golf von Neapel. Diese spezielle Art von Asche wurde quer durch das Römische Reich verschifft, um sie im Bauwesen zu verwenden. Zeitgenössische Architekten und Historiker beschrieben sie als Schlüsselbestandteil für Beton.

Römischer Beton: Kalk als Betonbestandteil

Bei näherer Betrachtung enthalten diese antiken Proben auch kleine, charakteristische, hellweiße Mineralmerkmale im Millimeterbereich, die seit langem als allgegenwärtiger Bestandteil römischer Betone gelten. Diese weißen Brocken, die oft als „Kalkbrocken“ bezeichnet werden, stammen von Kalk, einem weiteren Schlüsselbestandteil der alten Betonmischung. „Seit ich anfing, mit antikem römischem Beton zu arbeiten, war ich fasziniert von diesen Eigenheiten“, sagt Masic. „Diese Bestandteile sind in modernen Betonrezepturen nicht zu finden, also warum sind sie in diesen alten Materialien vorhanden?“

Früher als bloßer Beweis für schlampige Mischpraktiken oder minderwertige Rohstoffe missachtet, legt die neue Studie nahe, dass diese winzigen Kalkbruchstücke dem Beton eine zuvor nicht erkannte Selbstheilungsfähigkeit verliehen. „Mich hat die Vorstellung, dass das Vorhandensein dieser Kalkstücke einfach auf eine unzureichende Qualitätskontrolle zurückzuführen ist, schon immer gestört“, sagt Masic. 

„Wenn die Römer sich so viel Mühe gegeben haben, hervorragendes Baumaterial herzustellen, nach derart ausgebarbeiteten Rezepturen, die im Laufe vieler Jahrhunderte optimiert wurden, warum sollten sie sich dann so wenig Mühe geben, ein gut gemischtes Endprodukts sicherzustellen? Hinter dieser Geschichte muss mehr stecken.“

Was hat es mit dem Kalk auf sich?

Bei der weiteren Analyse dieser Kalkbruchstücke unter Verwendung hochauflösender Multiskalen-Bildgebung und chemischer Kartierungstechniken, die im Forschungslabor von Masic entwickelt wurden, gewannen die Forscher neue Einblicke in die potenzielle Funktionalität dieser Kalkklasten.

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

Bei der Untersuchung von Proben dieses alten Betons stellten er und sein Team fest, dass die weißen Einschlüsse tatsächlich aus verschiedenen Formen von Kalziumkarbonat bestanden. Die spektroskopische Untersuchung lieferte Hinweise darauf, dass diese bei extremen Temperaturen gebildet worden waren, wie es aufgrund der exothermen Reaktion zu erwarten wäre, die durch die Verwendung von Branntkalk anstelle von oder zusätzlich zu dem gelöschten Kalk in der Mischung erzeugt wird. Heißes Mischen, so das Team jetzt, war eigentlich der Schlüssel zur super-haltbaren Natur.

Heißes Mischen macht den Unterschied

„Das Heißmischen hat zwei Vorteile“, sagt Masic. „Erstens, wenn der gesamte Beton auf hohe Temperaturen erhitzt wird, ermöglicht dies eine Chemie, die nicht möglich wäre, wenn man nur gelöschten Kalk verwendet, wodurch hochtemperaturassoziierte Verbindungen entstehen, die sich sonst nicht bilden würden. Zweitens verkürzt diese erhöhte Temperatur die Aushärte- und Abbindezeiten erheblich, da alle Reaktionen beschleunigt werden, was eine viel schnellere Konstruktion ermöglicht.“

Während des heißen Mischprozesses entwickeln die Kalkbruchstücke eine charakteristisch spröde Nanopartikelarchitektur, wodurch eine leicht zerbrechliche und reaktive Kalziumquelle entsteht, die eine entscheidende Selbstheilungsfunktionalität bieten könnte. Sobald sich im Beton kleine Risse bilden, wandern diese bevorzugt durch die großflächigen Kalkschichten. Dieses Material kann dann mit Wasser reagieren und eine kalziumgesättigte Lösung erzeugen, die als Kalziumkarbonat rekristallisieren und den Riss schnell füllen kann, oder mit puzzolanischen Materialien reagieren, um das Verbundmaterial weiter zu stärken.

Diese Reaktionen laufen spontan ab und "reparieren" die Risse automatisch, bevor sie sich ausbreiten. Unterstützung für diese Hypothese fand sich durch die Untersuchung anderer römischer Betonproben, die mit Calcit gefüllte Risse aufwiesen.

Römischer Beton heilt sich selbst

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, sowohl nach alten als auch nach modernen Rezepturen. Die Forscher fügten ihnen absichtlich Risse zu, durch die sie dann Wasser laufen ließen. Tatsächlich: Innerhalb von zwei Wochen waren die Risse vollständig "verheilt" und das Wasser konnte nicht mehr fließen. Bei einem identischen Betonklotz, der ohne Branntkalk hergestellt wurde, schlossen sich die Risse nicht, das Wasser floss weiter durch den Klotz. Nach den erfolgreichen Tests arbeitet das Team nun an der Kommerzialisierung des modifizierten Zementmaterials.

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

Durch die längere Lebensdauer und die Entwicklung leichterer Betonformen hofft er, dass ihre Bemühungen dazu beitragen, die Umweltauswirkungen der Zementherstellung zu reduzieren, die derzeit etwa 8 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen ausmacht. Zusammen mit anderen neuen Rezepturen wie z.B. Beton, der Kohlendioxid aus der Luft absorbiert - 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 in Italien durchgeführt.