Het geheim van het "onverwoestbare" Romeinse beton: ongebluste kalk

De oude Romeinen waren meesterlijke ingenieurs die een enorm netwerk van wegen aanlegden en havens en enorme gebouwen bouwden, waarvan de overblijfselen twee millennia overleefd hebben. 

Veel van die structuren werden gebouwd met beton: het beroemde Pantheon in Rome, dat in 128 n.C. ingehuldigd werd, heeft de grootste niet-gewapende betonnen koepel ter wereld en is nog steeds intact. En sommige Romeinse aquaducten brengen nog steeds water naar Rome, terwijl veel moderne betonnen structuren al na enkele tientallen jaren beginnen af te brokkelen. 

"De Romeinen waren geweldige ingenieurs. Het feit dat we nog steeds rond kunnen wandelen in veel van hun structuren, is daar een bewijs van. Ga maar eens naar het Pantheon en bekijk de rij mensen die staan te wachten om de magnifieke koepel te kunnen zien", zei Linda Seymour, de hoofdauteur van de nieuwe studie die meewerkte aan het onderzoek als doctoraatsstudent aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT). 

"De Romeinen waren gewiekst en pasten hun materialen aan op basis van een hele reeks factoren, zoals de locatie en het soort van structuur." 

Romeins beton werd in de 3e eeuw v.C. geïntroduceerd en het bleek revolutionair. Het werd opus caementicium genoemd en de 3 belangrijkste ingrediënten ervan waren kalk, vulkanische as en water. Kalk is een witte, bijtende, poederachtige substantie die bestaat uit calciumoxide (CaO) en die verkregen wordt door het verhitten van kalksteen. Dat is ongebluste kalk, bij bouwwerken wordt meestal gebluste kalk gebruikt, kalk vermengd met water, wat calciumhydroxide (Ca(OH)2) geeft.  

Het beton liet de Romeinen toe structuren op te trekken die tot op dat punt in de geschiedenis nog nooit eerder gebouwd waren. Omdat het beton ook onder water kon uitharden, was het ook essentieel voor het aanleggen van havens en golfbrekers.  

Onderzoekers proberen al tientallen jaren het geheim van dit ultraduurzame oude bouwmateriaal te achterhalen, bovenal bij structuren in erg ongunstige omstandigheden, zoals dokken, riolen en zeeweringen, en bij structuren die opgetrokken zijn op seismische locaties, plaatsen waar aardbevingen voorkomen. 

Een internationaal team van onderzoekers van MIT en Harvard University in de VS, de Italiaanse 'beton-start-up' DMAT en van het Istituto Meccanica dei Materiali in Zwitserland, zegt nu vooruitgang geboekt te hebben op dit gebied. Ze hebben ontdekt dat de Romeinen strategieën gebruikten om hun beton te maken, die zorgen voor verschillende belangrijke zelfherstellende eigenschappen.     

Onderzoekers hebben lange tijd aangenomen dat de sleutel tot de duurzaamheid van het oude beton lag in één ingrediënt: zogenaamd pozzolanisch materiaal, zoals vulkanische as uit het gebied rond Pozzuoli in de Baai van Napels. Deze specifieke soort van as werd zelfs verscheept doorheen het uitgebreide Romeinse rijk om gebruikt te worden in bouwwerken en ze werd beschreven als een sleutelingrediënt voor beton in verslagen van architecten en geschiedschrijvers uit die tijd.

Als men het Romeinse beton nader bekijkt, blijken de stalen ook millimeters grote, kenmerkende, helder witte mineralen te bevatten, die men al lang beschouwt als een alomtegenwoordig bestanddeel van Romeins beton. 

Het gaat om zogenoemde klasten, korreltjes van een bepaald materiaal die ingebed zitten in ander materiaal. In dit geval zijn het kalkklasten, omdat ze hun oorsprong vinden in kalk, een ander sleutelingrediënt van het oude betonmengsel. 

"Sinds ik voor het eerst begon te werken met oud Romeins beton, ben ik altijd gefascineerd geweest door deze kenmerken. Ze worden niet gevonden in moderne betonmengsels, dus waarom zijn ze aanwezig in deze oude materialen?", zei Admir Masic, een professor burgerlijke en milieu-techniek aan MIT en een van de auteurs van de studie. 

De kleine kalkklasten werd vroeger afgedaan als aanwijzingen voor het slordig vermengen van het beton of voor het gebruik van grondstoffen van slechte kwaliteit, maar de nieuwe studie suggereert dat ze het beton niet eerder ontdekte zelfherstellende eigenschappen gaven. 

"Het idee dat de aanwezigheid van deze kleine kalkklasten eenvoudigweg toegeschreven werd aan een slechte kwaliteitscontrole, heeft me altijd dwars gezeten", zei Masic. "Als de Romeinen zo veel inspanningen deden om een buitengewoon constructiemateriaal te maken, waarbij ze al de gedetailleerde recepten volgden die in de loop van vele eeuwen geoptimaliseerd waren, waarom zouden ze dan zo weinig moeite doen om te zorgen voor de productie van een goed vermengd eindproduct? Hier moest meer achter zitten."  

Het team bestudeerde de kalkklasten van naderbij en gebruikte daarvoor beeldvormingstechnieken met een hoge resolutie en technieken om de chemische samenstelling in kaart te brengen die ontwikkeld werden in het lab van Masic. Dat gaf de onderzoekers nieuwe inzichten in de potentiële functionaliteit van de kalkklasten. 

Van oudsher ging men ervan uit dat als kalk verwerkt werd in Romeins beton, die eerst gecombineerd werd met water om een sterk reactieve brij te vormen. Dat proces noemt men blussen en de brij gebluste kalk. Dit proces kon echter de aanwezigheid van de kalkklasten niet verklaren en dus vroeg Masic zich af: "Was het mogelijk dat de Romeinen kalk daadwerkelijk gebruikt zouden hebben in zijn meer reactieve vorm, namelijk ongebluste kalk?"

Masic en zijn team stelden vast dat de witte insluitels in het Romeinse beton inderdaad bestonden uit verschillende vormen van calciumcarbonaat (CaCO3). Spectroscopisch onderzoek leverde aanwijzingen op dat de klasten gevormd waren bij extreme temperaturen, wat te verwachten zou zijn bij de exothermische reactie - een reactie waarbij warmte wordt afgegeven - die het gevolg zou zijn van het gebruik van ongebluste kalk, in de plaats van of naast gebluste kalk, bij het mengen van het beton. Het team kwam tot het besluit dat deze 'hete vermenging' de sleutel was tot de enorme duurzaamheid van het beton. 

"De voordelen van hete vermenging zijn tweevoudig", zei Masic. "Ten eerste, als het beton in zijn geheel verhit wordt door hoge temperaturen, laat dat chemische reacties toe die niet mogelijk zijn als je enkel gebluste kalk zou gebruiken. Daarbij worden verbindingen geproduceerd die geassocieerd zijn met die hoge temperaturen en die anders niet zouden gevormd worden. Ten tweede vermindert de toegenomen temperatuur aanzienlijk de tijd die nodig is voor het drogen en uitharden van het beton, aangezien al de reacties versneld zijn. Dat maakt het mogelijk veel sneller te bouwen."

Tijdens het proces van hete vermenging, krijgen de kalkklasten een karakteristieke broze structuur van nanodeeltjes. Dat levert een makkelijk te breken en reactieve bron van kalk op, die, zo stelt het team, een kritieke zelfherstellende functionaliteit kan bieden. 

Zodra er zich kleine barstjes beginnen te vormen in het beton, zullen die bij voorkeur door de broze kalkklasten gaan, klasten die een groot oppervlak hebben. 

"In essentie werkt het als volgt", zei Masic. "Als beton barst, dringt er water of vocht binnen, de barst wordt groter en verspreidt zich door de structuur. De kalkklasten lossen op door het binnendringen van het water en bieden calciumionen die opnieuw kristalliseren tot calciumcarbonaat en de barsten herstellen. Daarenboven kunnen de calciumionen ook reageren met vulkanische ingrediënten om de structuur te versterken." 

Die reacties treden spontaan op en herstellen dus de barsten automatisch, voor die zich kunnen verspreiden. Verder bewijs voor de hypothese werd gevonden in andere stalen van Romeins beton die ook barsten vertoonden die opgevuld waren met calciumcarbonaat.  

Om te bewijzen dat dit mechanisme inderdaad verantwoordelijk was voor de duurzaamheid van Romeins beton, maakte het team zelf stalen van 'heet gemengd' beton volgens oude en moderne recepten, deed die opzettelijk barsten en liet water door de barsten lopen. En wat bleek: binnen twee weken waren de barsten volledig hersteld en kon het water er niet meer door lopen. Een identiek blok beton dat gemaakt was zonder ongebluste kalk, raakte niet hersteld en het water bleef gewoon door het staal lopen.  

"Dit is een belangrijke nieuw stap in het verbeteren van de duurzaamheid van moderne vormen van beton door een strategie die geïnspireerd is door de Romeinen", zei Masic. "We waren met succes in staat een aantal van de kenmerken van oud Romeins beton die geassocieerd worden met het zelfherstellend vermogen, te vertalen naar moderne equivalenten." 

Als gevolg van de succesvolle testen werkt het team nu aan het commercialiseren van deze aangepaste materialen. Masic is de mede-oprichter van de start-up DMAT, gebaseerd in de VS en Italië, die zich bezig houdt met het commercialiseren van beton dat geïnspireerd is op de oude Romeinse versie. 

Masic hoopt dat deze inspanningen kunnen helpen om de milieu-impact van de cementproductie, die nu goed is voor zo'n 8 procent van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, te verminderen, door de verlengde functionele levensduur en de ontwikkeling van vormen van beton die minder wegen. 

Samen met andere nieuwe formules, zoals beton dat daadwerkelijk koolstofdioxide uit de lucht kan halen - een andere materiaal waar het lab van Masic momenteel onderzoek naar doet -, zouden deze verbeteringen kunnen helpen de wereldwijde impact van beton op het klimaat te verminderen. 

De studie van het Amerikaans-Europese team is gepubliceerd in ScienceAdvances. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van MIT en een telex van het persagentschap Reuters.