Forschende des MIT und italienischer Institute haben auf einer antiken Baustelle in Pompeji Belege für die Herstellungsmethode des extrem langlebigen römischen Betons gefunden: das sogenannte Heißmischverfahren. Dabei wurden Kalk und Vulkanasche trocken vermischt, bevor Wasser hinzugefügt wurde. Dies erzeugt Hitze und sorgt für selbstreparierende Eigenschaften.
Die Funde widersprechen der lange als Standard geltenden Beschreibung des antiken Architekten Vitruv, nach der der Kalk zuvor mit Wasser gelöscht wurde. Die Erkenntnisse sollen in die Entwicklung nachhaltiger, langlebiger Baustoffe einfließen.
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Fundament eines Weltreichs
Der Römische Beton war das architektonische Fundament eines Weltreichs. Er ermöglichte eine Baukultur, die in ihrer Kühnheit und Haltbarkeit bis heute Maßstäbe setzt. Brücken, Aquädukte und Gebäude, die vor über 2000 Jahren errichtet wurden, sind teilweise noch heute in Gebrauch.
Forschende um Admir Masic, außerordentlicher Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT), beschäftigen sich seit Langem mit der chemischen Zusammensetzung dieses antiken Baustoffs. Im Jahr 2023 veröffentlichte sein Team bereits eine Abhandlung, in der sie eine Herstellungsmethode skizzierten, die dem römischen Beton seine außergewöhnliche Langlebigkeit verleiht. Demnach wurden Kalkfragmente zusammen mit Vulkanasche und anderen trockenen Materialien vermischt, bevor Wasser hinzukam.
Dieser sogenannte „Heißmischprozess“ erzeugt beim Hinzufügen von Wasser eine erhebliche Hitze. Während der Beton aushärtet, werden durch die Hitze winzige, hochreaktive Kalkpartikel, die wie kleine weiße Kieselsteine aussehen, in der Betonstruktur eingeschlossen. Diese Partikel verleihen dem Beton die Fähigkeit zur Selbstheilung: Bilden sich feine Risse im Material, können sich die Kalkklumpen wieder auflösen und die Risse ausfüllen.
Die historische Herausforderung: Vitruvs Standardwerk
So elegant und technisch schlüssig dieser Prozess auch erscheint, er widersprach einem der einflussreichsten historischen Texte zur Baukunst: Marcus Vitruvius Pollio (kurz: Vitruv) hatte im 1. Jahrhundert v. Chr. mit seinem Werk De architectura das erste umfassende Buch über Architekturtheorie verfasst. Es galt lange als das Standardwerk zum Verständnis römischer Baupraktiken.
Vitruv beschrieb darin eine andere Vorgehensweise: Die Römer hätten demnach zunächst Kalk mit Wasser zu einer pastösen Masse vermischt und diese dann mit den anderen Zutaten gemischt. Der von Masics Team postulierte Heißmischprozess sah jedoch vor, dass der Kalk (in Form von Branntkalk) trocken mit der Vulkanasche vermischt wird und erst dann das Wasser hinzukommt.
Masic stand vor einem Dilemma. „Da ich Vitruv sehr respektiere, fiel es mir schwer zu behaupten, dass seine Beschreibung möglicherweise ungenau ist“, erklärt der Professor. „Die Schriften von Vitruv haben maßgeblich dazu beigetragen, mein Interesse an der antiken römischen Architektur zu wecken, und die Ergebnisse meiner Forschung widersprachen diesen wichtigen historischen Texten.“
Die Zeitkapsel Pompeji liefert den Beweis
Die Gelegenheit, diesen Widerspruch aufzulösen und die eigene Theorie zu untermauern, bot sich den Forschenden durch eine einzigartige Entdeckung. Archäologen stießen in Pompeji auf eine antike Baustelle, die durch den Ausbruch des Vesuvs im Jahr 79 n. Chr. konserviert wurde. Diese Fundstelle war eine Art unberührte „Zeitkapsel“, die nicht nur eine im Bau befindliche Mauer, sondern auch Haufen von Rohmaterial und Werkzeugen enthielt.
„Wir hatten das Glück, diese Zeitkapsel einer Baustelle öffnen zu können und Stapel von Material zu finden, das für den Bau der Mauer bereitstand“, berichtet Masic. Die Forschenden analysierten Proben aus diesen vorgemischten Trockenmaterialhaufen, einer im Bau befindlichen Mauer, fertigen Stütz- und Strukturwänden sowie Mörtelreparaturen.
Die Untersuchungen lieferten den bislang klarsten Beweis für die Anwendung des Heißmischens. Die Betonproben enthielten nicht nur die zuvor in Masics Studie beschriebenen Kalkklasten. Das Team entdeckte auch unversehrte Fragmente von Branntkalk, die mit anderen Zutaten in einem Haufen trockener Rohstoffe vorgemischt waren.
Branntkalk ist kalzinierter (gebrannter) Kalkstein, der noch nicht mit Wasser „gelöscht“ wurde. Sein Vorhandensein in der Trockenmischung vor dem eigentlichen Bauprozess ist ein entscheidender Hinweis auf das Heißmischen, bei dem die Löschreaktion während des Mischens und des Erhärtens des Betons stattfindet und nicht vorher.
Isotopenanalyse belegt die Methode
Mithilfe von stabilen Isotopenuntersuchungen konnten die Forschenden die entscheidenden Karbonatisierungsreaktionen im Laufe der Zeit nachverfolgen. Masic erklärt: „Dadurch konnten wir diesen entscheidenden Karbonatisierungsreaktionen im Laufe der Zeit verfolgen und so heißgemischten Kalk von dem ursprünglich von Vitruv beschriebenen gelöschten Kalk unterscheiden.“
Die Ergebnisse belegten somit: Die Römer stellten ihr Bindemittel her, indem sie kalzinierten Kalkstein (Branntkalk) zermahlten, ihn trocken mit Vulkanasche vermischten und erst dann Wasser hinzufügten, um die zementierende Matrix zu erzeugen.
Die Rolle der Vulkanasche
Zusätzlich untersuchten die Forschenden die vulkanischen Bestandteile des Zements genauer, darunter eine Form von Vulkanasche namens Bimsstein. Sie stellten fest, dass die Bimssteinpartikel über die Jahrhunderte chemisch mit der umgebenden Porenlösung reagierten. Diese Reaktion führte zur Bildung neuer Mineralablagerungen, welche die Betonstruktur weiter festigten.
Masic unterstreicht die besondere chemische Natur des Materials: „Dieses Material kann sich über Jahrtausende hinweg selbst heilen, es ist reaktiv und hochdynamisch. Es hat Erdbeben und Vulkanausbrüche überstanden. Es hat unter dem Meeresspiegel Bestand gehabt und die Zersetzung durch die Elemente überlebt.“
Die Relevanz für moderne Ingenieure
Die Erkenntnisse sind nicht nur von historischer Bedeutung, sondern besitzen auch eine große technologische Relevanz für die moderne Bauindustrie. Heute ist die Zementproduktion ein energieintensiver Prozess, der für einen erheblichen Teil der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist. Modernem Beton mangelt es zudem an der Selbstheilungsfähigkeit des römischen Vorbilds.
Das Verständnis, wie Kalzium in antikem Beton über die Zeit reagiert, liefert wichtige Einsichten in die dynamischen Prozesse in Zement. Masic und sein Team sehen darin einen Schlüssel für die Entwicklung neuer, nachhaltiger und langlebigerer Baustoffe. Masic hat zu diesem Zweck bereits ein Unternehmen (DMAT) gegründet, das auf den Erkenntnissen des römischen Betons basiert.
„Das ist relevant, weil römischer Zement langlebig ist, sich selbst heilt und ein dynamisches System ist“, so Masic. „Die Art und Weise, wie diese Poren in vulkanischen Bestandteilen durch Rekristallisation gefüllt werden können, ist ein Traumprozess, den wir auf unsere modernen Materialien übertragen möchten. Wir wollen Materialien, die sich selbst regenerieren.“
Was Vitruv betrifft, vermutet Masic, dass sein Text möglicherweise falsch interpretiert wurde. Er weist darauf hin, dass Vitruv auch die latente Wärme während des Zementmischprozesses erwähnt, was durchaus ein Hinweis auf eine Heißmischung sein könnte.
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