Selbstheilungskräfte und Mischtechnik 02.02.2024, 10:49 Uhr

MIT-Forschende entschlüsseln Geheimnisse des antiken, römischen Betons

Die alten Römer waren geniale Baumeister, was sich unter anderem darin zeigt, dass viele ihre Bauwerke selbst nach 2.000 Jahren noch stehen. Eines ihrer Geheimnisse war Beton, Forschende des MIT haben nun entschlüsselt, was das Besondere an ihm ist.

Pantheon Kuppel

Ein Beispiel für die Beständigkeit römischer Architektur ist das Pantheon. Es ist nahezu 2.000 Jahre alt, intakt und besitzt noch heute die weltweit größte Kuppel aus unbewehrtem Beton.

Foto: PantherMedia / valery

Die alten Römer waren herausragende Baumeister und Ingenieure, denken wir zum Beispiel an Aquädukte, Brücken oder Kuppeln. Diese noch immer funktionstüchtigen Bauwerke verdanken ihre Langlebigkeit einem besonderen Baumaterial: Puzzolanbeton. Dieser außergewöhnlich haltbare Beton verlieh den römischen Konstruktionen ihre beeindruckende Stabilität. Der Beton der alten Römer ist jedoch nicht nur lange haltbar, sondern besitzt zudem Selbstheilungskräfte, wie Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) herausfanden. Das Geheimnis dahinter ist eine besondere Mischtechnik beim Herstellen des Betons.

Alles eine Frage der richtigen Mischtechnik?

Die besonderen Eigenschaften des römischen Betons lassen sich im Allgemeinen auf seine Zusammensetzung zurückführen: Er besteht aus Puzzolan, einer vulkanischen Asche (benannt nach der italienischen Stadt Pozzuoli mit einem großen Vorkommen) und Kalk. Werden diese beiden Komponenten mit Wasser gemischt, entsteht durch eine chemische Reaktion ein fester Beton.

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Nun machte jedoch ein internationales Forscherteam, angeführt vom MIT, eine außergewöhnliche Entdeckung: Die verwendeten Materialien und Mischtechniken weichen von den bisherigen Annahmen ab.

Sind Kalkklumpen das Geheimnis?

Eine Besonderheit des römischen Betons ist, dass sich darin kleine weiße Kalkbrocken finden lassen, obwohl der Beton an sich stets gut gemischt wurde. Bislang wurde das Vorhandensein dieser Klumpen auf schlechtes Mischen oder schlechte Materialien zurückgeführt. Für den Materialwissenschaftler Admir Masic vom MIT ergab dies jedoch keinen Sinn.

„Die Vorstellung, dass das Vorhandensein dieser Kalkklumpen einfach auf eine schlechte Qualitätskontrolle zurückzuführen ist, hat mich immer gestört“, sagte Masic. „Wenn die Römer so viel Mühe in die Herstellung eines hervorragenden Baumaterials steckten, indem sie all die detaillierten Rezepte befolgten, die im Laufe vieler Jahrhunderte optimiert worden waren, warum sollten sie dann so wenig Mühe auf die Herstellung eines gut gemischten Endprodukts verwenden?“

Moderne Analysemethoden für antike Proben

Das Team um Masic, angeführt von der MIT-Bauingenieurin Linda Seymour, führte eine eingehende Untersuchung von 2.000 Jahre alten römischen Betonproben durch, die von der archäologischen Stätte Privernum in Italien stammen. Dabei setzten sie Methoden wie großflächige Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie, Pulverröntgendiffraktometrie und konfokale Raman-Bildgebung ein, um die Kalkklumpen in den Proben genauer zu analysieren.

Analyse der Kalkprobe passt nicht zur vermuteten Methode

Bei der Herstellung von Puzzolanbeton wird üblicherweise gelöschter Kalk eingesetzt. Dieser entsteht, indem Kalkstein stark erhitzt wird, wodurch ein hochreaktives Pulver namens Branntkalk oder Kalziumoxid entsteht. Mischt man Branntkalk mit Wasser, erhält man gelöschten Kalk (Calciumhydroxid), eine weniger reaktive Paste. Bislang wurde angenommen, dass die alten Römer genau diesen gelöschten Kalk mit Puzzolan vermengten.

Jedoch zeigten die Analysen, dass die Kalkklumpen in den Proben nicht mit dieser Methode übereinstimmen. Stattdessen deutet vieles darauf hin, dass römischer Beton durch das direkte Mischen von Branntkalk, Puzzolan und Wasser unter extrem hohen Temperaturen hergestellt wurde. Dieser Prozess, den das Forschungsteam als „heißes Mischen“ bezeichnet, könnte zusätzlich zum gelöschten Kalk angewandt worden sein und erklärt die Entstehung der Kalkklumpen.

Vorteile des Heißmischens

„Die Vorteile des Heißmischens sind zweifach“, so Masic. „Erstens werden durch die Erwärmung des gesamten Betons auf hohe Temperaturen chemische Reaktionen ermöglicht, die bei der ausschließlichen Verwendung von gelöschtem Kalk nicht möglich wären, da bei hohen Temperaturen Verbindungen entstehen, die sich sonst nicht bilden würden. Zweitens verkürzt diese erhöhte Temperatur die Aushärtungs- und Abbindezeiten erheblich, da alle Reaktionen beschleunigt werden, was eine wesentlich schnellere Bauausführung ermöglicht.“

Ein zusätzlicher Vorteil des Heißmischen besteht darin, dass die dadurch entstehenden Kalkklumpen dem Beton außergewöhnliche Selbstheilungseigenschaften verleihen. Entstehen Risse, lenken sie diese zu den Kalkpartikeln, welche aufgrund ihrer größeren Oberfläche mehr Anziehung bieten als andere Bestandteile des Betons. Dringt Wasser in diese Risse ein, reagiert es mit dem Kalk, wodurch eine kalziumreiche Flüssigkeit entsteht. Diese Flüssigkeit trocknet aus und verwandelt sich in Kalziumkarbonat, das den Riss verschließt und somit einer weiteren Rissbildung entgegenwirkt.

Selbstheilender Beton

Die Selbstheilungskräfte wurden in Beton aus einer anderen 2.000 Jahre alten Stätte, dem Grab von Caecilia Metella, beobachtet, wo Risse im Beton mit Calcit gefüllt wurden. Es könnte auch erklären, warum römischer Beton von vor 2.000 Jahren errichteten Deichen trotz der ständigen Belastung durch das Meer Jahrtausende überlebt hat. Und in England gibt es noch antike Wasserbecken einer Therme.

Das Team testete seine Ergebnisse, indem es Puzzolanbeton nach antiken und modernen Rezepten mit Branntkalk herstellte. Außerdem stellten sie einen Kontrollbeton ohne Branntkalk her und führten Rissprüfungen durch. Tatsächlich war der gerissene Branntkalkbeton innerhalb von zwei Wochen vollständig geheilt, während der Kontrollbeton rissig blieb.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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