In Kürze:
- Römischer Beton hatte im Vergleich zu dem heutigen klassischen Beton deutlich mehr Bestandteile als Sand, Kalk und Wasser.
- Das verlieh dem antiken Baustoff Selbstheilungskräfte und setzte bei seiner Herstellung weniger Kohlenstoffdioxid frei.
- Deutsche Forscher wollen den alten Beton reproduzieren und eine antike Zutat, vulkanische Asche, durch verbrannte Abfälle ersetzen.
- Zusätzlich sollen gut verfügbare und kostengünstige Substanzen den neuen alten Beton schneller härten lassen und den Selbstheilungseffekt imitieren.
Wein, Essig und Olivenöl – sie verfeinern seit Jahrtausenden nicht nur die mediterrane Küche, sie könnten auch als besondere Würze in der antiken Baukunst gedient haben. Denn möglicherweise haben die Zutaten dazu beigetragen, dass ein antiker Baustoff heute noch Maßstäbe setzt und in der Materialwissenschaft für Rätsel sorgt: römischer Beton.
Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er bemerkenswert stabil ist, Risse von selbst kittet und deshalb besonders langlebig ist. Die römischen Baumeister konnten ihn so zusammenmischen, dass er, anders als der normale heutige Zement, Salzwasser widerstand und Hafenanlagen zu dauerhaften Bauwerken machte.
Sein heute vielleicht überzeugendster Vorzug: Bei seiner Produktion wurde weniger Kohlenstoffdioxid (CO₂) freigesetzt als bei der Herstellung von modernem Zement. Wie die Römer diese Eigenschaften erreicht haben, ist bis heute nicht völlig klar.
Vor allem die Klimafreundlichkeit und Langlebigkeit des römischen Betons haben es der Materialwissenschaft angetan. So forscht unter anderem ein Team um Bettina Lotsch vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart an dieser Superformel.
Moderne Stolpersteine
Viele Institutionen streben danach, den Beton nachhaltiger zu machen, weil dieser viel verwendete Baustoff Schätzungen zufolge rund acht Prozent der globalen CO₂-Emissionen ausmache. Hinzu kommt die relativ kurze Haltbarkeit der Bauwerke.
„Beton hält in den gemäßigten Breiten etwa 70 Jahre, in den Tropen höchstens 30“, sagt Sebastian Bette, beteiligter Forscher am Max-Planck-Institut.
Dann müsste ein Bauwerk repariert werden, doch oft hilft nur abreißen und neu bauen. Um die Haltbarkeit zu erhöhen und auf diese Weise Emissionen zu senken, suchen die Forscher Inspiration bei den Römern. Doch die ist nicht so leicht zu finden. „Unser Wissen über römischen Beton ist begrenzt“, so Bette. „Die Römer haben über ihren Beton zwar viel aufgeschrieben, das ist aber nicht immer aufschlussreich.“
In den Aufzeichnungen werden auch Wein, Öl und Essig als Zutaten erwähnt. Warum sie untergemischt wurden, ist unklar. Möglicherweise sollten Essig- und Weinsäure die Aushärtung beeinflussen.
Auch wie römischer Beton erfunden wurde, haben die Jahrtausende vernebelt. Angefangen hat es vermutlich mit Mörtel zwischen Steinblöcken. Mit der Zeit wurden die Steine immer kleiner und der Anteil des Mörtels immer größer, bis man schließlich bei Beton landete.
Beton – ein chemisches Kuddelmuddel
Dass die Bauindustrie nicht einfach auf ein Rezept der alten Römer zurückgreifen kann, liegt auch daran, dass es das eine Rezept nie gab. Denn der Baustoff wurde nicht wie heute in großen Fabriken, sondern in kleinen Handwerksbetrieben hergestellt. Diese setzten oft ihre eigenen Mixturen an.
Bei der Rekonstruktion kommen auch die ausgeklügelten analytischen Verfahren, die der Materialwissenschaft heute zur Verfügung stehen, an ihre Grenzen. Zum einen weil das Baumaterial über die Jahrtausende verwittert ist. Zum anderen, weil Beton zwar nach einem geradezu banalen Massenprodukt klingt, er es aus wissenschaftlicher Sicht aber nicht ist. Das gilt sowohl für antiken Beton als auch für seine modernen Nachfolger.
So gibt es im abgebundenen Beton 20 bis 30 unterschiedliche kristalline Phasen. Eine Phase bezeichnet in der Chemie einen Stoff von einheitlicher chemischer Zusammensetzung und Struktur. Bei einem Kuddelmuddel von bis zu 30 Phasen ist es schwierig, sich einen Überblick zu verschaffen.
Der komplizierte Aufbau überrascht vielleicht auch deshalb, weil zumindest heutiger Beton im Wesentlichen aus drei einfachen Zutaten zusammengemischt wird: Sand, Wasser und natürlich Zement als Bindemittel. Die Komponenten bestehen teilweise schon aus verschiedenen chemischen Verbindungen, und beim Abbinden entstehen weitere.
Heutiger Beton ist im Wesentlichen ein Sand-Kalk-Wasser-Gemisch.
Foto: Cineberg/iStock
Zudem verwendet die Industrie Zusätze, um die Eigenschaften zu modifizieren. Im Fall des häufigsten verwendeten Portlandzement ist dies beispielsweise Calciumoxid, auch Branntkalk genannt. Vermischt mit Ton und den Zusätzen wird daraus Zementklinker gebrannt.
Aus Sicht von Klimaschützern ist der Branntkalk bedenklich, da seine Produktion viel Energie kostet und große Mengen an CO₂ freisetzt. Gleichzeitig zieht Branntkalk zum Aushärten nachweislich Kohlenstoffdioxid aus der Umgebung und bindet dieses. Den Römern war dies egal, denn für ihren Beton kam ohnehin nur wenig Calciumoxid zum Einsatz.
Vulkanasche als wesentliche Zutat
Stattdessen mischten römische Baumeister Vulkanasche hinein. Sie enthält Puzzolane, also Aluminiumsilikate, die Calciumoxid ersetzen können. Doch aus verschiedenen Gründen ist es so gut wie unmöglich, ein antikes Rezept in die Gegenwart zu übertragen.
„Römischer Beton brauchte Wochen zum Aushärten“, erklärt der beteiligte Forscher Artem Shevchenko. „Heute will man die Stockwerke eines Gebäudes aber möglichst schnell hintereinander gießen.“
Das Pantheon in Rom besitzt unter anderem eine massive Betonkuppel.
Foto: TomasSereda/iStock
Zudem gäbe es nicht genug Vulkanasche und es musste der richtige Vulkan sein. Infrage kämen nur jene, die feine Asche erzeugen, damit sie chemisch reaktiv ist und als Bindemittel dienen kann.
In öffentlichen Gebäuden wie dem Pantheon oder dem Kolosseum findet sich nur die Asche vom Vesuv nahe Pompeji. Bauherren für private Gebäude scheinen da flexibler gewesen zu sein.
So ergab eine Analyse der Villa Capo di Bove in Rom, dass auch auf heimisches Rohmaterial zurückgegriffen wurde. Für die anschließende Therme mischten die Römer dem Beton sogar Tonscherbe bei, damit die Becken auch auf lange Sicht dem Wasser standhielten. Denn das leicht saure Badewasser greift normalen Beton mit der Zeit an, sodass er schließlich reißt.
Müll statt Vulkanasche
Wie die Römer früher benötigen auch heutige Bauherren Beton für verschiedene Zwecke. Doch ein Punkt unterscheidet beide: Während die römische Mischung damals scheinbar frei und unproblematisch war, benötigen moderne Ingenieure exakt definierte Zusammensetzung und möglichst immer gleiche Eigenschaften nach DIN-Norm. Dabei könnte sich Mut zur Vielfalt auch für die heutige Zeit auszahlen. „Vielleicht können wir auch die Zusammensetzung von modernem Beton stärker variieren“, so Bette.
Gerade der antike Baustoff zeigt, dass er Jahrtausende überdauern kann, obwohl er keine DIN-Norm erfüllt. Die Variabilität könnte vor allem für ein Vorhaben hilfreich sein: der Beimischung von Asche aus Müllverbrennungsanlagen. Diese variiert wie Vulkanasche in ihrer Zusammensetzung, gilt aber wegen mitunter kritischer Bestandteile als nicht praxistauglich.
Eine schlechte Zutat ist etwa Aluminium. Dieses reagiert beim Aushärten von Beton mit der alkalischen Lösung in den Poren des Materials, wobei Wasserstoff entsteht. Der würde den Beton aufsprengen und das Gebäude zerbröseln, bevor es überhaupt fertig ist. Zwar könnten diese untauglichen Bestandteile vorher aus der Müllasche entfernt werden, jedoch kostet das derzeit noch viel Energie.
Doch es gibt auch interessante Komponenten. Eine davon ist die sogenannte anorganische Asche – ein wildes Gemisch verschiedener Mineralien, die den Bestandteilen der Vulkanasche ähneln und als Bindemittel für CO₂ dienen könnten.
Inwieweit Asche aus der Müllverbrennung also künftig in den Beton gerührt werden und möglicherweise ein Umweltproblem lösen kann, muss noch weiter intensiv erforscht werden, so die Forscher.
Geheime Zutat für weniger CO₂
In anderer Hinsicht inspiriert die Antike die Forscher zu Ergebnissen, die schneller praxisrelevant werden könnten. Es geht um Beton, der wie sein römisches Vorbild wenig Zementklinker enthält und deshalb klimafreundlich ist, aber für die meisten Bauvorhaben zu langsam aushärtet.
„Wir haben unter anderem einen Zusatz gefunden, der gut verfügbar, preiswert ist und die Härtung von CO₂-armem Beton offenbar so beschleunigen könnte, dass er praktisch eingesetzt werden könnte“, erklärt Bette. Mehr könne er jedoch nicht verraten, weil die Untersuchungen noch andauern.
Auch bei der Frage, warum römischer Beton so langlebig ist, haben die Wissenschaftler Fortschritte gemacht. Ausschlaggebend sind die Selbstheilungskräfte, die dem heutigen Beton fehlen. Dies könnten die Römer mit Strätlingit erreicht haben – einem natürlichen Mineral, dass Wasser aufnimmt und dadurch anschwillt.
„Das könnte die Selbstheilungskraft von Beton erklären“, glaubt Shevchenko. „Wenn Beton reißt, dringt dort Feuchtigkeit ein. Strätlingit kann diese Feuchtigkeit aufnehmen, sich dabei ausdehnen und einen Riss verschließen.“
Ein Stück des Römerkanals, auch Eifelwasserleitung genannt, in Buschhoven nahe Bonn. Das Aquädukt wurden aus römischen Beton (auch opus caementicium genannt) gefertigt und mit gemauerten Bögen aus Naturstein versehen.
Foto: Haspi, Wikimedia Commons | CC BY-SA 3.0
Außerdem entdeckten die Forscher im römischen Beton das siliziumhaltige Katoit, eine Schwesterverbindung von Strätlingit. Ob und wie dieses Mineral die Eigenschaften des Betons beeinflussen könnte, ist noch unklar.
Um noch besser zu verstehen, was den römischen Beton so besonders macht und wie moderner Beton langlebig und nachhaltig wird, müssen die Forscher noch viel tun. Dazu gehört die gründliche Untersuchung der wichtigsten oder gar allen Bestandteilen des antiken Betons.
Spekulation wird aber vermutlich bleiben, ob die Römer bewusst Wein, Öl und Essig in ihren Beton mischten, um dessen Eigenschaften zu beeinflussen. Vielleicht waren die Zutaten auch als Gaben an die Götter gedacht, damit diese die Bauwerke auf ewig stehen ließen.
