Eine großflächige Elementkarte (Kalzium: rot, Silizium: blau, Aluminium: grün) eines 2 cm großen Fragments antiken römischen Betons (rechts) aus der archäologischen Stätte von Privernum, Italien (links). Im unteren Teil des Bildes ist deutlich eine kalziumreiche Kalkkugel (in rot) zu erkennen, die für die einzigartigen Selbstheilungseigenschaften dieses antiken Materials verantwortlich ist.
Die alten Römer waren Meister der Ingenieurskunst und bauten ein ausgedehntes Netz von Straßen, Aquädukten, Häfen und gewaltigen Gebäuden, deren Überreste zwei Jahrtausende überdauert haben. Viele dieser Bauwerke wurden aus Beton errichtet: Das berühmte Pantheon in Rom mit der größten unverstärkten Betonkuppel der Welt, das 128 n. Chr. eingeweiht wurde, ist noch immer intakt, und einige antike römische Aquädukte liefern noch heute Wasser nach Rom. In der Zwischenzeit sind viele moderne Betonbauten nach wenigen Jahrzehnten zusammengebrochen.
Forscher haben jahrzehntelang versucht, das Geheimnis dieses extrem widerstandsfähigen antiken Baumaterials zu lüften, insbesondere bei Bauwerken, die besonders harten Bedingungen ausgesetzt waren, wie Docks, Abwasserkanäle und Seemauern, oder bei Bauwerken, die in erdbebengefährdeten Gebieten errichtet wurden.
Nun hat ein Team von Forschern des MIT, der Harvard University und von Labors in Italien und der Schweiz Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht und alte Betonherstellungsstrategien entdeckt, die mehrere wichtige Selbstheilungsfunktionen beinhalten. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Science Advances in einem Artikel des MIT-Professors für Bau- und Umwelttechnik Admir Masic, der ehemaligen Doktorandin Linda Seymour '14, PhD '21, und vier weiteren Forschern veröffentlicht.
Viele Jahre lang gingen die Forscher davon aus, dass der Schlüssel zur Haltbarkeit des antiken Betons in einem einzigen Bestandteil lag: puzzolanisches Material wie Vulkanasche aus der Gegend von Pozzuoli am Golf von Neapel. Diese spezielle Art von Asche wurde sogar quer durch das riesige römische Reich verschifft, um beim Bau verwendet zu werden, und wurde in den Berichten von Architekten und Historikern der damaligen Zeit als Schlüsselzutat für Beton beschrieben.
Bei näherer Betrachtung enthalten diese antiken Proben auch kleine, markante, millimetergroße, hellweiße Mineralien, die seit langem als allgegenwärtiger Bestandteil von römischem Beton bekannt sind. Diese weißen Brocken, die oft als "Kalkklumpen" bezeichnet werden, stammen von Kalk, einem weiteren wichtigen Bestandteil der antiken Betonmischung. "Seit ich begonnen habe, mit antikem römischem Beton zu arbeiten, haben mich diese Merkmale immer fasziniert", sagt Masic. "In modernen Betonrezepturen sind sie nicht zu finden, warum also sind sie in diesen antiken Materialien vorhanden?"
Die neue Studie legt nahe, dass diese winzigen Kalkklumpen dem Beton eine bisher nicht erkannte Selbstheilungskraft verliehen. "Die Idee, dass das Vorhandensein dieser Kalkklumpen einfach auf eine schlechte Qualitätskontrolle zurückzuführen ist, hat mich immer gestört", sagt Masic. "Wenn die Römer so viel Mühe in die Herstellung eines hervorragenden Baumaterials steckten, indem sie all die detaillierten Rezepte befolgten, die im Laufe vieler Jahrhunderte optimiert worden waren, warum sollten sie dann so wenig Mühe auf die Herstellung eines gut gemischten Endprodukts verwenden? An dieser Geschichte muss mehr dran sein."
Bei der weiteren Charakterisierung dieser Kalkklumpen mit Hilfe von hochauflösender Multiskalen-Bildgebung und chemischen Kartierungstechniken, die in Masics Forschungslabor entwickelt wurden, gewannen die Forscher neue Erkenntnisse über die potenzielle Funktionalität dieser Kalkklumpen.
In der Vergangenheit war man davon ausgegangen, dass Kalk beim Einbau in römischen Beton zunächst mit Wasser zu einem hochreaktiven, pastenartigen Material verbunden wurde, einem Prozess, der als Löschen bekannt ist. Doch dieser Prozess allein konnte das Vorhandensein der Kalkklumpen nicht erklären. Masic fragte sich: "War es möglich, dass die Römer den Kalk direkt in seiner reaktionsfreudigeren Form, dem Branntkalk, verwendet haben?"
Bei der Untersuchung von Proben dieses antiken Betons stellten er und sein Team fest, dass die weißen Einschlüsse in der Tat aus verschiedenen Formen von Kalziumkarbonat bestanden. Und die spektroskopische Untersuchung lieferte Hinweise darauf, dass diese bei extremen Temperaturen entstanden waren, wie es bei der exothermen Reaktion zu erwarten wäre, die durch die Verwendung von Branntkalk anstelle von oder zusätzlich zu Löschkalk in der Mischung ausgelöst wurde. Das Team ist nun zu dem Schluss gekommen, dass das Heißmischen der Schlüssel für die hohe Dauerhaftigkeit war.
"Die Vorteile des Heißmischens sind zweifach", sagt Masic. "Erstens werden durch die Erwärmung des gesamten Betons auf hohe Temperaturen chemische Reaktionen ermöglicht, die bei der Verwendung von gelöschtem Kalk nicht möglich wären. Zweitens verkürzt diese erhöhte Temperatur die Aushärtungs- und Abbindezeiten erheblich, da alle Reaktionen beschleunigt werden, was eine wesentlich schnellere Bauausführung ermöglicht."
Während des heißen Mischvorgangs entwickeln die Kalkklumpen eine charakteristische spröde nanopartikuläre Architektur, wodurch eine leicht zu zerbrechende und reaktive Kalziumquelle entsteht, die, wie das Team vorschlug, eine entscheidende Selbstheilungsfunktion haben könnte. Sobald sich winzige Risse im Beton bilden, können sie bevorzugt durch die Kalkklastika mit großer Oberfläche wandern. Dieses Material kann dann mit Wasser reagieren und eine mit Kalzium gesättigte Lösung bilden, die als Kalziumkarbonat rekristallisieren und den Riss schnell füllen kann, oder mit puzzolanischen Materialien reagieren, um den Verbundwerkstoff weiter zu stärken. Diese Reaktionen laufen spontan ab und heilen daher automatisch die Risse, bevor sie sich ausbreiten. Diese Hypothese wurde bereits durch die Untersuchung anderer römischer Betonproben gestützt, die mit Kalzit gefüllte Risse aufwiesen.
Um zu beweisen, dass dies tatsächlich der Mechanismus ist, der für die Haltbarkeit des römischen Betons verantwortlich ist, stellte das Team Proben von heiß gemischtem Beton her, der sowohl antike als auch moderne Rezepturen enthielt, riss sie absichtlich und ließ dann Wasser durch die Risse laufen. Das Ergebnis war eindeutig: Innerhalb von zwei Wochen waren die Risse vollständig verheilt und das Wasser konnte nicht mehr fließen. Ein identischer Betonbrocken, der ohne Branntkalk hergestellt wurde, heilte nicht, und das Wasser floss weiterhin durch die Probe. Nach diesen erfolgreichen Tests arbeitet das Team daran, dieses modifizierte Zementmaterial auf den Markt zu bringen.
"Es ist spannend, darüber nachzudenken, wie diese haltbareren Betonrezepturen nicht nur die Lebensdauer dieser Materialien verlängern, sondern auch die Haltbarkeit von 3D-gedruckten Betonrezepturen verbessern könnten", sagt Masic.
Durch die verlängerte Lebensdauer und die Entwicklung leichterer Betonformen hofft er, dass diese Bemühungen dazu beitragen könnten, die Umweltauswirkungen der Zementproduktion zu verringern, die derzeit für etwa 8 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Zusammen mit anderen neuen Rezepturen, wie z. B. Beton, der tatsächlich Kohlendioxid aus der Luft absorbieren kann, einem weiteren aktuellen Forschungsschwerpunkt des Masic-Labors, könnten diese Verbesserungen dazu beitragen, die globalen Klimaauswirkungen von Beton zu verringern.
Zum Forschungsteam gehörten Janille Maragh am MIT, Paolo Sabatini am DMAT in Italien, Michel Di Tommaso am Instituto Meccanica dei Materiali in der Schweiz und James Weaver am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University. Die Arbeit wurde mit Unterstützung des Archäologischen Museums von Priverno in Italien durchgeführt.