Die alten Römer waren Meister-Baumeister und Ingenieure, am bekanntesten vielleicht durch die immer noch funktionierenden Aquädukte. Und diese architektonischen Wunderwerke beruhen auf einem einzigartigen Baumaterial: Puzzolanbeton, ein spektakulär haltbares Material, das den römischen Bauwerken ihre unglaubliche Stärke verlieh.
Noch heute hält eines ihrer Bauwerke - das Pantheon, das noch intakt und fast 2 000 Jahre alt ist - den Rekord für die weltweit größte Kuppel aus unbewehrtem Beton.
Die Eigenschaften dieses Betons werden im Allgemeinen auf seine Bestandteile zurückgeführt: Puzzolan, eine Mischung aus vulkanischer Asche - benannt nach der italienischen Stadt Pozzuoli, wo ein bedeutendes Vorkommen davon zu finden ist - und Kalk. Wenn die beiden Stoffe mit Wasser vermischt werden, können sie reagieren und einen festen Beton ergeben.
Aber das ist, wie sich herausstellt, nicht die ganze Geschichte. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) fand heraus, dass sich nicht nur die Materialien leicht von dem unterscheiden, was wir bisher dachten, sondern auch die Techniken, mit denen sie gemischt wurden.
Es handelt es sich um kleine, weiße Kalkbrocken, die in einem ansonsten scheinbar gut gemischten Beton zu finden sind. Das Vorhandensein dieser Klumpen wurde bisher auf schlechtes Mischen oder schlechtes Material zurückgeführt, aber das ergab für den Materialwissenschaftler Admir Masic vom MIT keinen Sinn.
"Die Vorstellung, dass das Vorhandensein dieser Kalkklumpen einfach auf eine schlechte Qualitätskontrolle zurückzuführen ist, hat mich immer gestört", so Masic in einer Erklärung vom Januar 2023.
"Wenn die Römer so viel Mühe in die Herstellung eines hervorragenden Baumaterials steckten und dabei all die detaillierten Rezepte befolgten, die im Laufe vieler Jahrhunderte optimiert worden waren, warum sollten sie dann so wenig Mühe in die Herstellung eines gut gemischten Endprodukts stecken? An dieser Geschichte muss mehr dran sein".
Masic und sein 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 mit großflächiger Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Pulverröntgendiffraktometrie und konfokaler Raman-Bildgebung untersucht, um ein besseres Verständnis der Kalkklumpen zu erhalten.
Eine der Fragen, die sich dabei stellte, war die Art des verwendeten Kalks. Nach gängiger Auffassung wird für Puzzolanbeton gelöschter Kalk verwendet. Zunächst wird Kalkstein bei hohen Temperaturen erhitzt, um ein hochreaktives, ätzendes Pulver namens Branntkalk oder Kalziumoxid zu erzeugen.
Wenn man Branntkalk mit Wasser mischt, erhält man gelöschten Kalk oder Kalziumhydroxid: eine etwas weniger reaktive, weniger ätzende Paste. Die Theorie besagt, dass es dieser gelöschte Kalk war, den die alten Römer mit Puzzolan vermischten.
Die Analyse des Teams ergab, dass die Kalkbrocken in ihren Proben nicht mit dieser Methode übereinstimmen. Vielmehr wurde römischer Beton wahrscheinlich hergestellt, indem Branntkalk direkt mit Puzzolan und Wasser bei extrem hohen Temperaturen gemischt wurde, entweder allein oder zusätzlich zum gelöschten Kalk, ein Prozess, den das Team als "heißes Mischen" bezeichnet und bei dem die Kalkklumpen entstehen.
"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."
Und es gibt noch einen weiteren Vorteil: Die Kalkbrocken verleihen dem Beton bemerkenswerte Selbstheilungsfähigkeiten.
Wenn sich Risse im Beton bilden, gelangen sie bevorzugt zu den Kalkbrocken, die eine größere Oberfläche haben als andere Partikel in der Matrix. Wenn Wasser in den Riss eindringt, reagiert es mit dem Kalk und bildet eine kalziumreiche Lösung, die trocknet und als Kalziumkarbonat aushärtet, den Riss wieder zusammenklebt und eine weitere Ausbreitung verhindert.
Dies wurde in Beton aus einem anderen 2.000 Jahre alten Denkmal, dem Grab der Caecilia Metella, beobachtet, wo Risse im Beton mit Kalzit gefüllt sind. Es könnte auch erklären, warum römischer Beton von vor 2.000 Jahren errichteten Deichen trotz der ständigen Belastung durch das Meer Jahrtausende überlebt hat.
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. Es zeigte sich, dass der gerissene Branntkalkbeton innerhalb von zwei Wochen vollständig geheilt war, während der Kontrollbeton rissig blieb.
Michelle Starr -- Science Alert