Römischer Beton wird durch Kohlendioxid über Jahrhunderte stärker

Der Pfeil der Zeit bewegt sich nur in eine Richtung – und mit ihm kommt der Verfall.

Wir errichten Bauwerke so, dass sie möglichst lange bestehen. Doch selbst die robustesten Materialien bekommen irgendwann Risse, verlieren an Festigkeit und zerfallen.

Beim Beton der alten Römer verlief das etwas anders.

Forschende wissen seit Langem, dass Beton aus der Zeit des Römischen Reiches mit zunehmendem Alter offenbar sogar fester wird.

Frühere Untersuchungen führten diese aussergewöhnliche Beständigkeit vor allem auf eine Reaktion zwischen Vulkanasche, dem sogenannten Puzzolan, und Branntkalk zurück. Dabei entstehen im Beton besonders widerstandsfähige Minerale.

Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen weiteren Teil der Erklärung gefunden: die langsamen, aber kontinuierlichen Reaktionen von Kohlendioxid aus der Luft.

„Während die puzzolanische Reaktion von grundlegender Bedeutung ist“, sagt der Ingenieur Paulo Monteiro von der UC Berkeley, „deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Carbonatisierung über einen langen Zeitraum ebenfalls die Haltbarkeit von Beton verbessert und ihm helfen kann, Risse im Alter zu versiegeln.“

Die in Science Advances beschriebene Entdeckung des Teams lässt selbst die unscheinbareren römischen Bauwerke, die dennoch von ingenieurtechnischem Können geprägt waren, in einem neuen Licht erscheinen.

Römischer Beton und seine aussergewöhnliche Haltbarkeit

Eine der bemerkenswertesten Leistungen römischer Ingenieurskunst ist die grosse Zahl an Bauwerken, die noch immer ausgezeichnet erhalten sind, während viele Gebäude aus derselben Epoche längst zu Trümmern zerfallen sind.

Das Pantheon in Rom ist das bekannteste Beispiel: Der rund 2.000 Jahre alte Tempel wird von einer riesigen Kuppel aus unbewehrtem Beton gekrönt, der weltweit grössten Konstruktion ihrer Art.

Um den Geheimnissen des römischen Betons auf die Spur zu kommen, wandten sich Monteiro, seine Co-Leiterin Xiaohong Zhu von der Technischen Universität Peking und ihre Kolleginnen und Kollegen jedoch einer eher unerwarteten und deutlich weniger glanzvollen Quelle zu.

Im 2. Jahrhundert n. Chr. besass Kaiser Hadrian eine Villa im italienischen Tivoli, von der – wie zu erwarten – noch grosse Teile stehen.

Dort entnahmen die Forschenden ein kleines Betonstück aus einer Gemeinschaftstoilette, die einst kaiserliche Hinterteile trug.

Mithilfe einer Reihe hochauflösender Bildgebungsverfahren untersuchte das Team die Probe bis hinunter zur Nanoskala.

Wie erwartet fanden sie Hinweise auf die puzzolanische Reaktion: Vulkanasche und Kalk reagieren dabei miteinander und bilden im Beton aussergewöhnlich haltbare Minerale.

Doch die Analyse brachte noch etwas anderes zutage.

Über die Jahrhunderte hatte Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit im Beton verbliebenem Kalk reagiert und Calcit gebildet – dasselbe Mineral, das auch in Kalkstein vorkommt.

Dabei handelte es sich, wie die Forschenden feststellten, keineswegs nur um ein Nebenprodukt der Alterung.

Calcit versiegelt Risse im antiken Beton

Offenbar machte der Calcit den Beton fester. Er kristallisierte in winzigen Poren und Rissen, verdichtete das Material und verschloss nach und nach Schwachstellen, die sich sonst mit der Zeit ausgebreitet hätten.

Frühere Studien hatten Calcit zwar bereits in römischem Beton nachgewiesen, ihn aber weder dreidimensional untersucht noch seine Struktur kartiert.

Die Arbeit legt nach Angaben des Teams nahe, dass Calcit eine bislang unterschätzte Funktion für die bemerkenswerte Langlebigkeit römischen Betons gehabt haben könnte. Er ersetzt den bekannten Beitrag der puzzolanischen Reaktion nicht, sondern wirkt mit ihm zusammen.

An der Nachbildung römischen Betons wird bereits gearbeitet.

Bei kalkbasiertem Beton tritt Carbonatisierung auf natürliche Weise auf, unabhängig davon, ob man sie berücksichtigt oder nicht. Das Wissen um ihre Rolle könnte Forschenden jedoch ein weiteres Werkzeug liefern, um Beton zu entwickeln, der länger hält und dabei weniger Kohlenstoff verursacht.

„Ein Verständnis dafür, wie die Dynamik der Calciumcarbonat-Kristallisation Beton zusammenbindet und zu seiner langfristigen Haltbarkeit beiträgt, könnte neue Einblicke in die langfristige mineralogische Entwicklung und die natürliche Carbonatisierung kalkbasierter Bindemittel liefern“, sagt Monteiro.

Antike römische Bauwerke – vom prachtvollen Pantheon bis zu Hadrians schlichter Toilette – liefern beeindruckende Beispiele für Beton, der über Jahrtausende strukturell intakt geblieben ist.

Das bedeutet jedoch nicht, dass wir einfach so bauen können wie die Römer.

Moderne Gebäude stellen wesentlich höhere Anforderungen an ihre Werkstoffe. Zudem steht Stahlbeton vor einer Herausforderung, mit der sich römische Ingenieure nie befassen mussten: der Korrosion des im Inneren eingebetteten Bewehrungsstahls.

Die neuen Erkenntnisse können Forschenden jedoch helfen, Beton für die Zukunft zu entwerfen, der langlebiger und nachhaltiger ist.

„Diese Studie zeigt, wie die Erforschung alter Ingenieurtechniken zu wichtigen Erkenntnissen führen kann“, sagt Monteiro.

„Wir hoffen, dass wir durch die Entschlüsselung römischer Geheimnisse zur Verbesserung der Betonhaltbarkeit eines Tages eine nachhaltige Entwicklung moderner Infrastruktur erreichen können.“

Die Forschungsergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Rachel Garner auf Fakten geprüft und von Clare Watson redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, doch auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.