Römischer Beton: Das Geheimnis liegt in der Hitze

Antike römische Bauwerke beeindrucken mit ihrer Haltbarkeit. Forscher haben den Schlüssel dafür entdeckt. Dabei spielt die Betontemperatur eine Rolle.

Die alten Römer waren Meister des Bauens und der Ingenieurstechnik. Nicht nur ihre Aquädukte, auch andere Bauten des antiken Rom haben die Jahrtausende überstanden.

Einer der Gründe dafür ist das Material aus dem sie gemacht wurden: der sogenannte Puzzolan-Beton. Forscher haben herausgefunden, was dem Werkstoff seine Festigkeit verlieh.

Nicht nur auf die Materialien kommt es an

Bisher wurden die Eigenschaften des "römischen Betons" allgemein den verwendeten Zutaten zugeschrieben: einer Mischung aus vulkanischer Asche, Puzzolane genannt, und Kalk. Bei Zugabe von Wasser können die beiden Materialien reagieren und einen starken Beton erzeugen.

Doch wie sich herausstellte, gehört noch mehr dazu. Im Jahr 2023 fand ein internationales Forscherteam unter Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) heraus, dass sich nicht nur die Materialien leicht von dem unterscheiden, was bisher angenommen wurde. Auch die Mischtechniken waren anders.

Heißes Gemisch

Die entscheidenden Hinweise waren kleine, weiße Kalkbröckchen, die in dem ansonsten gut durchmischten Beton zu finden sind.

Das Vorhandensein dieser Brocken wurde bisher auf schlechtes Mischen oder minderwertige Materialien zurückgeführt. Das ergab für Admir Masic vom MIT jedoch keinen Sinn. "Die Vorstellung, dass man die Präsenz dieser Kalkklumpen einfach einer schlechten Qualitätskontrolle zuschrieb, hat mich immer gestört", sagte Masic im Januar 2023.

Das Forscherteam untersuchte sorgfältig 2.000 Jahre alte Proben römischen Betons von der archäologischen Stätte Privernum in Italien. Die Analysen ergaben, dass der im römischen Beton verwendete Kalk nicht, wie bisher angenommen, mit der Standardmethode hergestellt wurde.

Stattdessen wurde der Kalk wahrscheinlich in einem als "Hot Mixing" bezeichneten Verfahren direkt und bei extrem hohen Temperaturen mit der Puzzolana und Wasser vermischt. Dies führte zu den charakteristischen Kalkklumpen im Beton.

"Hot Mixing hat zwei Vorteile", erklärte Masic. "Erstens ermöglicht das Erhitzen des Betons auf hohe Temperaturen chemische Reaktionen, die mit gelöschtem Kalk allein nicht möglich wären. Zweitens werden durch die erhöhte Temperatur die Aushärtungs- und Abbindezeiten deutlich verkürzt, was einen viel schnelleren Bau ermöglicht."

Selbstheilender Beton

Darüber hinaus verleiht dieses Verfahren dem Beton bemerkenswerte Selbstheilungskräfte. Wenn sich Risse im Beton bilden, wandern diese bevorzugt zu den Kalkklumpen.

Dringt Wasser in den Riss ein, reagiert es mit dem Kalk zu einer calciumreichen Lösung, die als Calciumcarbonat austrocknet und aushärtet. Dadurch wird der Riss wieder zusammengeklebt und an der Ausbreitung gehindert.

Das Forscherteam testete seine Erkenntnisse, indem es Puzzolan-Beton nach antiken und modernen Rezepturen unter Verwendung von Branntkalk herstellte.

Tatsächlich waren die Risse im Branntkalk-Beton innerhalb von zwei Wochen vollständig verheilt, während der Kontrollbeton ohne Branntkalk rissig blieb. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in einem Beitrag der Zeitschrift Science Advances.

Das Team arbeitet nun daran, seinen Beton als umweltfreundlichere Alternative zu den derzeitigen Betonsorten zu kommerzialisieren. "Es ist spannend, darüber nachzudenken, wie diese langlebigeren Betonrezepturen nicht nur die Lebensdauer dieser Materialien verlängern, sondern auch die Haltbarkeit von 3D-gedruckten Betonkonstruktionen verbessern könnten", sagte Masic.