Mysterie ontrafeld waarom Romeinse gebouwen zo lang overleefden

De majestueuze bouwwerken van het oude Rome hebben het duizenden jaren overleefd - een bewijs van het vernuft van de Romeinse ingenieurs, die het gebruik van beton perfectioneerden. Maar hoe hielden hun bouwmaterialen kolossale gebouwen als het Pantheon (met de grootste ongewapende koepel ter wereld) en het Colosseum meer dan 2000 jaar overeind?

Romeins beton is in veel gevallen duurzamer gebleken dan het moderne equivalent, dat binnen tientallen jaren kan verslechteren. Nu zeggen wetenschappers achter een nieuwe studie het mysterieuze ingrediënt te hebben ontdekt dat de Romeinen in staat stelde hun bouwmateriaal zo duurzaam te maken en uitgebreide constructies te bouwen op moeilijke plaatsen zoals dokken, riolen en aardbevingsgebieden.

Het onderzoeksteam, waaronder onderzoekers uit de Verenigde Staten, Italië en Zwitserland, analyseerde 2000 jaar oude betonmonsters die werden genomen van een stadsmuur op de archeologische site van Privernum, in Midden-Italië, en die qua samenstelling lijken op ander beton dat in het hele Romeinse Rijk werd gevonden.

Witte brokken

Zij ontdekten dat witte brokken in het beton, kalkkorrels genoemd, het beton in staat stelden scheuren die in de loop der tijd ontstonden te helen. De witte brokken werden eerder over het hoofd gezien als bewijs van slordig mengen of slechte kwaliteit grondstof.

"Voor mij was het echt moeilijk te geloven dat oude Romeinse (ingenieurs) geen goed werk zouden leveren, omdat ze echt zorgvuldig te werk gingen bij het kiezen en verwerken van materialen," zei studieauteur Admir Masic, een universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan het Massachusetts Institute of Technology.

De nieuwe bevinding zou kunnen helpen om de fabricage van het huidige beton duurzamer te maken, waardoor de samenleving mogelijk net zo wordt opgeschud als de Romeinen ooit deden. "Beton stelde de Romeinen in staat tot een architecturale revolutie," zei Masic. "De Romeinen waren in staat om steden te creëren en te veranderen in iets buitengewoons en prachtig om in te wonen. En die revolutie veranderde de manier waarop mensen leven."

Duurzamer dan moderne equivalent

Kalkkorrels en de duurzaamheid van beton

Beton is in wezen kunstmatige steen of rots, gevormd door het mengen van cement, een bindmiddel meestal gemaakt van kalksteen, water, fijn toeslagmateriaal (zand of fijngemalen steen) en grof toeslagmateriaal (grind of steenslag).

Romeinse teksten hadden het gebruik van gebluste kalk (wanneer kalk eerst wordt gecombineerd met water voordat het wordt gemengd) voorgesteld als bindmiddel, en daarom hadden geleerden aangenomen dat dit de manier was waarop Romeins beton werd gemaakt, aldus Masic.

Na verdere studie concludeerden de onderzoekers dat de kalkkorrels ontstonden door het gebruik van ongebluste kalk (calciumoxide) - de meest reactieve en gevaarlijke droge vorm van kalksteen - bij het mengen van het beton, in plaats van of naast gebluste kalk.

Uit aanvullende analyse van het beton bleek dat de kalkkorrels zich vormden bij de extreme temperaturen die door het gebruik van ongebluste kalk werden verwacht, en het "hete mengen" was de sleutel tot de duurzaamheid van het beton.

Masic: "De voordelen van warm mengen zijn tweeledig. Ten eerste, wanneer het beton in zijn geheel tot hoge temperaturen wordt verhit, kunnen chemische verbindingen ontstaan die niet mogelijk zijn als je alleen gebluste kalk zou gebruiken. Ten tweede verkort deze verhoogde temperatuur de uithardings- en verhardingstijd aanzienlijk, omdat alle reacties worden versneld, waardoor veel sneller kan worden gebouwd."

Om te onderzoeken of de kalkkorrels verantwoordelijk waren voor het kennelijke vermogen van Romeins beton om zichzelf te herstellen, voerde het team een experiment uit. Zij maakten twee betonmonsters, één volgens Romeins recept en het andere volgens moderne normen, en lieten deze opzettelijk barsten. Na twee weken kon water niet door het volgens Romeins recept gemaakte beton stromen, terwijl het wel door het zonder ongebluste kalk gemaakte brok beton ging.

Weg vrij voor productie duurzamer modern beton

Hun bevindingen suggereren dat de kalkkorrels kunnen oplossen in scheuren en herkristalliseren na blootstelling aan water, waardoor scheuren ontstaan door verwering worden geheeld voordat ze zich verspreiden. Volgens de onderzoekers kan dit zelfherstellend vermogen de weg vrijmaken voor de productie van duurzamer en dus duurzamer modern beton. Dit zou de koolstofvoetafdruk van beton verminderen, die volgens de studie verantwoordelijk is voor 8% van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.

Jarenlang dachten onderzoekers dat het Romeinse beton zo sterk was door vulkanische as uit het gebied van Pozzuoli, aan de baai van Napels. Dit soort as werd door het uitgestrekte Romeinse rijk vervoerd om te worden gebruikt in de bouw, en werd in verslagen van architecten en historici uit die tijd beschreven als een belangrijk ingrediënt voor beton. Masic zei dat beide componenten belangrijk zijn, maar dat kalk in het verleden over het hoofd werd gezien.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.