Beton bekommt oft nach einigen Jahrzehnten Risse und bröckelt – aber seltsamerweise war das bei vielen römischen Bauwerken nicht der Fall. Die Strukturen stehen immer noch und zeigen eine bemerkenswerte Haltbarkeit trotz Bedingungen, die modernen Beton zerstören würden.
Ein besonderes Bauwerk ist das große zylindrische Grabmal der Adeligen Caecilia Metella aus dem 1. Jahrhundert v. Chr. Neue Forschungsergebnisse von MIT-Wissenschaftlern und Kollegen, die im Journal of the American Ceramic Society veröffentlicht wurden, zeigen, dass die Qualität des Betons ihres Grabes die der Denkmäler ihrer männlichen Zeitgenossen möglicherweise übertrifft, und zwar aufgrund des vulkanischen Gesteins, das die Erbauer wählten, und der ungewöhnlichen chemischen Wechselwirkungen mit Regen und Grundwasser, die sich im Laufe von zwei Jahrtausenden ansammeln.
Die Hauptautoren der Studie, Admir Masic, außerordentlicher Professor für Bau- und Umwelttechnik am MIT, und Marie Jackson, außerordentliche Professorin für Geologie und Geophysik an der Universität von Utah, haben sich zusammengetan, um die mineralische Zusammensetzung der antiken Betonstruktur zu verstehen.
„Das Verständnis der Entstehung und der Prozesse antiker Materialien kann den Forschern neue Wege aufzeigen, um dauerhafte und nachhaltige Baumaterialien für die Zukunft zu schaffen“, sagt Masic. „Das Grab von Caecilia Metella ist eines der ältesten noch erhaltenen Bauwerke und bietet Einblicke, die das moderne Bauen inspirieren können“.
Ein seltsam kohäsiver Beton
Das Grab von Caecilia Metella liegt an der antiken römischen Straße, die auch als Via Appia Antica bekannt ist, und ist ein Wahrzeichen derselben. Es besteht aus einem rotundenförmigen Turm, der auf einem quadratischen Sockel steht und insgesamt etwa 21 Meter hoch ist und einen Durchmesser von 29 Metern hat. Das Grabmal wurde um 30 v. Chr., zur Zeit des Übergangs von der Römischen Republik zum Römischen Reich unter Kaiser Augustus (27 v. Chr.), erbaut und gilt als eines der am besten erhaltenen Monumente an der Via Appia.
Caecilia selbst stammte aus einer aristokratischen Familie. Sie heiratete in die Familie des Marcus Crassus ein.
„Der Bau dieses sehr innovativen und robusten Denkmals und Wahrzeichens an der Via Appia Antica deutet darauf hin, dass sie in hohem Ansehen stand“, sagt Jackson, „und die Betonstruktur spiegelt 2.050 Jahre später eine starke und widerstandsfähige Präsenz wider“.
Das Grabmal ist ein Beispiel für die verfeinerten Technologien des Betonbaus im späten republikanischen Rom. Diese Techniken wurden vom Architekten Vitruv beschrieben, als das Grabmal der Caecilia Metella noch im Bau war. Der Bau von dicken Mauern aus groben Ziegeln oder vulkanischem Gestein, die mit Mörtel aus Kalk und vulkanischer Tephra (poröse Glasscherben und Kristalle aus explosiven Eruptionen) gebunden wurden, würde zu Strukturen führen, die „über einen langen Zeitraum hinweg nicht in Trümmer fallen“.
Vitruvs Worte werden durch die vielen römischen Bauwerke bestätigt, die heute noch stehen, darunter die Trajansmärkte (erbaut zwischen 100 und 110 n. Chr., mehr als ein Jahrhundert nach dem Grabmal) und Meeresbauten wie Molen und Wellenbrecher.
Was die alten Römer jedoch nicht wissen konnten, ist, wie sich die Kristalle des kaliumreichen Minerals Leuzit in den vulkanischen Gesteinskörnungen im Laufe der Zeit auflösen würden, um die Grenzfläche zwischen den vulkanischen Gesteinskörnungen und der zementhaltigen Bindemittelmatrix positiv umzugestalten und zu reorganisieren und so den Zusammenhalt des Betons zu verbessern.
„Wenn wir uns darauf konzentrieren, moderne Betone mit sich ständig verstärkenden Grenzflächen zu entwerfen, könnten wir eine weitere Strategie entwickeln, um die Dauerhaftigkeit moderner Baumaterialien zu verbessern“, sagt Masic. „Die Integration der bewährten römischen Weisheit ist eine nachhaltige Strategie, die die Langlebigkeit unserer modernen Lösungen um Größenordnungen verbessern könnte“.
Linda Seymour ’14, PhD ’21, die an dieser Studie als Doktorandin im Masic-Labor am MIT teilnahm, untersuchte die Mikrostruktur des Betons mit wissenschaftlichen Werkzeugen. „Jedes der von uns verwendeten Werkzeuge lieferte einen Hinweis auf die Prozesse im Mörtel“, sagt Seymour. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte die Mikrostrukturen der Mörtelbausteine im Mikrometerbereich. Die energiedispersive Röntgenspektrometrie zeigte die Elemente, aus denen jeder dieser Bausteine besteht. „Diese Informationen ermöglichen es uns, verschiedene Bereiche im Mörtel schnell zu untersuchen, und wir konnten Bausteine herausfinden, die mit unseren Fragen zusammenhängen“, sagt sie. Der Trick bestehe darin, mit jedem Gerät genau das gleiche Ziel zu treffen, auch wenn dieses Ziel nur etwa so groß wie ein Haar sei.
Die Wissenschaft hinter einer einmalig starken Substanz
In den dicken Betonwänden des Grabes von Caecilia Metella bindet ein Mörtel, der vulkanisches Tephra enthält, große Brocken von Ziegelsteinen und Lavaaggregaten. Er ähnelt dem Mörtel, der 120 Jahre später in den Trajansmärkten verwendet wurde. Der Kleber des Mörtels der Trajansmärkte besteht aus einem Baustein, der C-A-S-H-Bindephase (Kalzium-Aluminium-Silikat-Hydrat), zusammen mit Kristallen eines Minerals namens Strätlingit.
Die Tephra, die die Römer für den Mörtel von Caecilia Metella verwendeten, enthielt jedoch mehr kaliumreiches Leuzit. Jahrhunderte langes Regen- und Grundwasser, das durch die Wände des Grabes sickerte, löste den Leuzit auf und gab das Kalium an den Mörtel ab. In modernem Beton würde ein Übermaß an Kalium expansive Gele bilden, die zu Mikrorissen und schließlich zum Verfall der Struktur führen würden.
Im Grabmal jedoch löste sich das Kalium auf und rekonfigurierte die C-A-S-H-Bindungsphase.
„Mit Hilfe der Röntgenbeugung und der Raman-Spektroskopie konnten wir untersuchen, wie sich der Mörtel verändert hatte“, sagt Seymour. „Wir sahen C-A-S-H-Domänen, die nach 2.050 Jahren noch intakt waren, und einige, die sich aufspalteten, dünn waren oder eine andere Morphologie aufwiesen. Vor allem die Röntgenbeugung ermöglichte eine Analyse der dünnen Strukturen bis hin zu ihrer atomaren Struktur. Wir sehen, dass die dünnen Domänen diese nanokristalline Natur annehmen“, sagt sie.
Die umgestalteten Domänen „schaffen offensichtlich robuste Kohäsionskomponenten im Beton“, so Jackson. Im Gegensatz zu den Trajansmärkten bildet sich in diesen Strukturen nur wenig Strätlingit.
Stefano Roascio, der für das Grabmal zuständige Archäologe, weist darauf hin, dass die Studie von großer Bedeutung für das Verständnis anderer antiker und historischer Betonstrukturen ist, bei denen der Zuschlagstoff Pozzolane Rosse verwendet wird.
„Die Grenzfläche zwischen den Zuschlagstoffen und dem Mörtel eines jeden Betons ist von grundlegender Bedeutung für die Haltbarkeit der Struktur“, sagt Masic. „In modernem Beton können die Alkali-Kieselsäure-Reaktionen, die expansive Gele bilden, die Grenzflächen selbst des härtesten Betons beeinträchtigen. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Grenzflächen im antiken römischen Beton des Grabes von Caecilia Metella durch langfristige Umbauprozesse ständig weiterentwickeln“, sagt Masic. „Diese Umbauprozesse verstärken die Grenzflächen und tragen möglicherweise zu einer verbesserten mechanischen Leistung und Bruchfestigkeit des antiken Materials bei“.
Nach einer Pressemeldung des Massachusetts Institute of Technology
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