Forscher lüften das Geheimnis des legendären altrömischen Betons

Der antike Baustoff ist erstaunlich haltbar. Versuche mit Rezepturen zeigen nun: Bestimmte Zusätze verliehen ihm Selbstheilungskräfte.

Durch die Öffnung in der Kuppel fällt das Sonnenlicht in das rund 1900 Jahre alte Pantheon in Rom.

Die Haltbarkeit von altrömischem Beton ist legendär – die Ursache davon versuchen Wissenschaftler schon seit Jahrzehnten zu ergründen. Nun wollen US-Forscher das Geheimnis gelüftet haben: Kleine Kalkklumpen könnten Beton und Mörtel stabilisierende Eigenschaften verliehen haben, schreibt die Gruppe um Admir Masic vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in der Fachzeitschrift «Science Advances»Versuche mit einer solchen Baustoffmischung enthüllten eine Art Selbstheilungskräfte. Bilden sich in dem Beton Risse, durch die Wasser rinnt, so entstehen kalkhaltige Mineralien, die die Hohlräume wieder ausfüllen können.

Der von den Römern verwendete Beton gilt als äusserst langlebig: Manche Aquädukte aus der Römerzeit werden bis heute für die Wasserversorgung der italienischen Hauptstadt Rom verwendet. Auch das 1900 Jahre alte Pantheon steht dank des «Opus caementitium», des römischen Betons, noch heute und wird als katholische Kirche genutzt.

In den vergangenen Jahrzehnten hatten Wissenschaftler immer wieder römischen Beton und Mörtel untersucht. Unter anderem identifizierten sie darin vulkanische Asche und Gesteine sowie Meerwasser als Zutaten, die durch verschiedene chemische Reaktionen die Haltbarkeit steigerten.

Die Bedeutung von Klümpchen aus Kalkstein

Eine bisher vernachlässigte Komponente sind millimetergrosse Klümpchen aus Kalkstein – einst als Verunreinigungen abgetan. «Seit ich anfing, mit antikem römischem Beton zu arbeiten, war ich immer fasziniert von diesen Bestandteilen», wird Masic in einer MIT-Mitteilung zitiert. Die Vorstellung, dass das Vorhandensein der Kalkklümpchen nur auf mangelhafte Qualitätskontrolle zurückzuführen sei, habe ihn immer gestört. Masic und sein Team prüften deshalb die Vermutung, dass dieser ungelöschte Kalk eine bestimmte Funktion im Betongemisch hat.

Dazu untersuchten sie zunächst Mörtel von Mauern des antiken Ortes Privernum bei der heutigen Stadt Priverno südöstlich von Rom. Demnach bestanden römischer Mörtel und Beton aus Sand, Vulkanasche, Bröckchen vulkanischen Gesteins, Wasser und Klümpchen aus ungelöschtem Kalk – und manchmal war auch gelöschter Kalk dabei. Durch die Reaktion des Wassers mit der Oberfläche des ungelöschten Kalks (Kalziumoxid) entsteht gelöschter Kalk (Kalziumhydroxid), was mit einer Wärmeentwicklung von bis zu 60 Grad Celsius einhergeht.

Diese Rezepturen könnten auch die Haltbarkeit von 3-D-gedruckten Betonrezepturen verbessern.

Der gelöschte Kalk wiederum reagiert mit Wasser und Sand zu einem zementartigen Bindemittel, wodurch noch mehr Wärme frei wird. Die Wissenschaftler sprechen von «Hot Mixing». Durch diese Reaktionen werden zum einen die Gesteinsbröckchen fester in die Zementmatrix eingebunden. Zum anderen würden die Aushärte- und Abbindezeiten erheblich verkürzt, erklärt Masic. Bei modernem Beton sollen hingegen die Zuschlagstoffe möglichst nicht mit dem Zement reagieren.

Masic und Kollegen erstellten auf Basis dieser Erkenntnisse Betonmischungen mit und ohne Kalkklümpchen. Den ausgehärteten Beton spalteten sie und fügten die Teile so zusammen, dass ein 0,5 Millimeter breiter Spalt blieb. Dann liessen sie Wasser durch diesen Spalt laufen. Während beim Beton ohne Kalkbröckchen das Wasser auch nach 30 Tagen noch fast ungehindert durch den Spalt floss, kam beim Beton mit Kalkklümpchen fast kein Wasser mehr durch. Denn der Riss im Beton hatte auch die Kalkbröckchen gespalten, und der ungelöschte Kalk hatte mit dem Wasser zu gelöschtem Kalk reagiert, sich so mineralisiert und den Spalt gefüllt.

Diese Rezepturen könnten möglicherweise auch die Haltbarkeit von 3-D-gedruckten Betonrezepturen verbessern, sagt Masic. Zudem seien diese Mischungen erheblich umweltfreundlicher als die heutige Zementproduktion, die immerhin acht Prozent des weltweiten Kohlendioxid-Ausstosses verursache. Masic arbeitet auch an einem Beton, der das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen kann.