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Wir wissen endlich, wie der antike römische Beton Tausende von Jahren überdauerte: ScienceAlert

Die alten Römer waren Meister des Bauwesens und der Ingenieurskunst, was vielleicht am bemerkenswertesten an den Aquädukten lag. Diese immer noch funktionierenden Wunderwerke basieren auf einem einzigartigen Baumaterial: Puzzolanbeton, einem erstaunlich haltbaren Beton, der römischen Bauwerken ihre unglaubliche Festigkeit verlieh.

Noch heute hält eines ihrer Gebäude – das noch intakte und fast 2.000 Jahre alte Pantheon – den Rekord für die größte unbewehrte Betonkuppel der Welt.

Die Eigenschaften dieses Betons werden im Allgemeinen auf seine Inhaltsstoffe zurückgeführt: Puzzolana, eine Mischung aus Vulkanasche – benannt nach der italienischen Stadt Pozzuoli, wo große Vorkommen davon zu finden sind – und Kalk. Beim Mischen mit Wasser können die beiden Materialien zu starkem Beton reagieren.

Aber wie sich herausstellt, ist das nicht die ganze Geschichte. Und im Jahr 2023 stellte ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) fest, dass nicht nur die Materialien etwas anders waren als wir dachten, sondern auch die Techniken, mit denen sie gemischt wurden.

Die rauchenden Waffen waren kleine weiße Kalkstücke, die in scheinbar gut gemischtem Beton zu finden waren. Das Vorhandensein dieser Stücke wurde zuvor auf eine schlechte Mischung oder schlechte Materialien zurückgeführt, aber das ergab für den Materialwissenschaftler Admir Masek vom MIT keinen Sinn.

„Der Gedanke, dass das Vorhandensein dieser Kalksteinblöcke einfach auf eine schlechte Qualitätskontrolle zurückzuführen ist, hat mich schon immer gestört.“ sagte Macek Zurück im Januar 2023.

„Wenn die Römer so viel Mühe darauf verwendet haben, ein erstklassiges Baumaterial herzustellen und dabei all die detaillierten Rezepte zu befolgen, die über viele Jahrhunderte hinweg verfeinert wurden, warum haben sie sich dann so wenig Mühe gegeben, um sicherzustellen, dass ein gut gemischtes Endprodukt entsteht? Da muss noch mehr sein.“ zu dieser Geschichte.

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Macek und das Team unter der Leitung der MIT-Bauingenieurin Linda Seymour untersuchten 2.000 Jahre alte römische Betonproben aus der archäologischen Stätte Perevernum in Italien. Diese Proben wurden einer großflächigen Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Pulverröntgenbeugung und konfokaler Raman-Bildgebung unterzogen, um ein besseres Verständnis der Kalkmassen zu erhalten.

Eine der Fragen, die mir durch den Kopf gingen, war die Art des verwendeten Kalks. Das gängige Verständnis von puzzolanischem Beton besteht darin, dass er verwendet wird Kalkhydrat. Zunächst wird Kalkstein bei hohen Temperaturen erhitzt, um ein hochreaktives ätzendes Pulver namens Kalkstein zu erzeugen BranntkalkOder Kalziumoxid.

Durch das Mischen von Branntkalk mit Wasser entsteht gelöschter Kalk oder Calciumhydroxid: eine weniger reaktive und weniger ätzende Paste. Der Theorie zufolge war es dieser Kalkhydrat, den die alten Römer mit Puzzolan vermischten.

Basierend auf der Analyse des Teams stimmten die in ihren Proben gefundenen Kalkblöcke nicht mit dieser Methode überein. Alternativ könnte römischer Beton durch direktes Mischen von Branntkalk mit Puzzolan und Wasser bei extrem hohen Temperaturen hergestellt worden sein, allein oder zusätzlich zu hydratisiertem Kalk, ein Prozess, den das Team „Heißmischen“ nennt und bei dem Kalkkrümel entstehen.

„Das Heißmischen hat zwei Vorteile.“ sagte Macek.

„Erstens, wenn Zuschlagstoffbeton auf hohe Temperaturen erhitzt wird, können chemische Prozesse ablaufen, die bei der Verwendung von reinem Kalkhydrat nicht möglich wären, wodurch bei hoher Temperatur gebundene Verbindungen entstehen, die sich sonst nicht bilden könnten. Zweitens verringert diese erhöhte Temperatur die Aushärtung und die Aushärtung drastisch Aushärtezeiten, da alle Reaktionen beschleunigt werden, was eine wesentlich schnellere Konstruktion ermöglicht.“

Es hat noch einen weiteren Vorteil: Kalkkrümel verleihen Beton eine bemerkenswerte Fähigkeit zur Selbstheilung.

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Wenn sich im Beton Risse bilden, wandern diese bevorzugt in Kalkblöcke, die eine größere Oberfläche als andere Partikel in der Matrix haben. Wenn Wasser in den Riss eindringt, reagiert es mit dem Kalk und bildet eine kalziumreiche Lösung, die wie Kalziumkarbonat trocknet und aushärtet, den Riss wieder zusammenklebt und eine weitere Ausbreitung verhindert.

Das Es ist aufgefallen Aus Beton von einer anderen 2.000 Jahre alten Stätte, dem Grab von Cecilia Metella, wo Risse im Beton mit Calcit gefüllt wurden. Dies könnte auch erklären, warum römischer Beton aus vor 2.000 Jahren errichteten Deichmauern trotz des ständigen Stampfens der Ozeane über Tausende von Jahren intakt geblieben ist.

Daher testete das Team seine Erkenntnisse, indem es Puzzolanbeton nach alten und modernen Rezepten unter Verwendung von Branntkalk herstellte. Außerdem stellten sie Kontrollbeton ohne Branntkalk her und führten Rissprüfungen durch. Tatsächlich war der gerissene Kalksteinbeton innerhalb von zwei Wochen vollständig ausgehärtet, der Kontrollbeton blieb jedoch rissig.

Das Team arbeitet nun daran, seinen Beton als umweltfreundlichere Alternative zum aktuellen Beton zu vermarkten.

„Es ist spannend darüber nachzudenken, wie diese haltbareren Betonzusammensetzungen nicht nur die Lebensdauer dieser Materialien erhöhen können, sondern auch, wie sie die Haltbarkeit von 3D-gedruckten Betonzusammensetzungen verbessern können.“ sagte Macek.

Die Forschung wurde veröffentlicht in Fortschritt der Wissenschaft.

Eine Version dieses Artikels wurde erstmals im Januar 2023 veröffentlicht.

Magda Franke

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