Romeinse bouwwerken, zoals het Pantheon, houden al bijna tweeduizend jaar stand. Onderzoekers hebben nu het geheim ontdekt achter de lange levensduur van het Romeinse beton. Dit biedt mogelijkheden voor de moderne bouw.

De oude Romeinen waren ware bouwmeesters. Ze legden wegen aan, aquaducten, havens en enorme gebouwen, zoals het Colosseum en het Pantheon. Grote delen houden twee millennia later nog steeds stand. Een enkel millenia oud aquaduct levert zelfs nog water aan fonteinen in Rome.

In tegenstelling tot moderne constructies blijken deze van ongewapend beton gemaakte bouwwerken langdurig bestand tegen klimaatinvloeden, aardbevingen en aan de kust zelfs direct contact met zeewater. Dat maakt de oude, Romeinse bouwmaterialen de ideale inspiratiebron voor nieuwe, duurzame bouwwerken. Maar daarvoor moest er eerst een raadsel opgelost worden: wat maakt het Romeinse beton zo duurzaam?

Hersentrainings-apps missen wetenschappelijke onderbouwing
LEES OOK

Hersentrainings-apps missen wetenschappelijke onderbouwing

Een boel apps claimen dat ze hun gebruikers slimmer ­maken. Deze hersentrainings-­apps zijn niet alleen vrij saai, hun effect op onze prestaties is ...

Onderzoekers van het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT) denken het antwoord te hebben gevonden, schrijven ze in Science.

Vulkanisch materiaal

Het Romeinse beton bestaat meestal uit door vulkanen uitgestoten tufsteen en andere granulaten, ofwel korrelige vaste stoffen, gebonden door een mortel (ofwel specie, gebruikt om te metselen) op basis van kalk en zogeheten puzzolanen, zoals vulkanisch as. Het idee was dat het vulkanische materiaal het geheime ingrediënt was. Maar hoe dat de levensduur van het Romeinse beton verklaart, was nog onduidelijk.

In het beton zijn ook kleine witte klontjes van enkele millimeters groot te vinden, die je niet terugvindt in modern beton. Ze werden lange tijd weggezet als oninteressante onregelmatigheden die ontstaan zouden zijn door bijvoorbeeld slecht gemengd mortel.

‘Het idee dat de aanwezigheid van deze kalkkorreltjes gewoon kwam door slechte kwaliteitscontrole heeft me altijd dwarsgezeten’, zegt Admir Masic, civiel en milieutechnicus bij het MIT. ‘Als de Romeinen zoveel moeite deden om een uitstekend bouwmateriaal te maken, door alle gedetailleerde recepten te volgen die in de loop van vele eeuwen waren geoptimaliseerd, waarom zouden ze dan zo weinig moeite doen voor een goed gemengd eindproduct?’ Volgens Masic moest er meer achter de kalkkorreltjes zitten.

Zelfherstellend beton

Met collega’s boog Masic zich over de witte klontjes, die inderdaad uit kalkachtig materiaal bleken te bestaan. Uit een chemische analyse bleek dat ze gevormd waren bij hoge temperaturen. Dat wijst erop dat er reactief ongeblust kalk was gebruikt bij de productie van de mortel. Het mengen van ongebluste kalk met de vulkanische granulaten, zand en water zorgt namelijk voor een chemische reactie waarbij warmte vrijkomt. Dit proces heet hot mixing (hete vermenging).

Dat de Romeinen mortel maakten door ongebluste kalk te gebruiken in plaats van, of in combinatie met gebluste kalk, zou zowel de kalkkorreltjes als de duurzaamheid van het beton kunnen verklaren. Door het hete mengproces ontstaan kalkkorreltjes met een brosse structuur. Deze gemakkelijk breekbare korreltjes, die bestaan uit een reactief materiaal, maken het beton duurzaam door hun zelfherstellende eigenschappen.

Als er scheurtjes in het beton ontstaan, dan zullen die zich snel uitbreiden naar deze kalkkorreltjes omdat het materiaal daar gemakkelijk breekt. Via het scheurtje kan er vervolgens water in het kalkklontje terechtkomen. Dat veroorzaakt een reactie waardoor het kalk uitkristalliseert tot calciumcarbonaat en zo het scheurtje opvult. Het kan ook reageren met puzzolaanhoudende materialen en zo sterker beton vormen.

Elk van deze twee reacties treedt vanzelf op als er scheurtjes ontstaan, waardoor het beton zichzelf snel herstelt.

Weergave van de elementen (calcium: rood, silicium: blauw, aluminium: groen) in een twee centimeter groot fragment Romeins beton (rechts), verzameld op de archeologische site van Privernum, Italië (links). Een calciumrijke kalkkorrel (in rood), die verantwoordelijk is voor de unieke zelfherstellende eigenschappen van dit oude materiaal, is duidelijk zichtbaar. Beeld: L.M. Seymour, et al.

Modern Romeins beton

Om te testen of dit proces inderdaad plaatsvindt, maakten de onderzoekers het Romeinse beton na met het hete mengproces. Bewust veroorzaakte scheurtjes bleken inderdaad binnen twee weken volledig te herstellen door wat water erin te gieten. Beton dat gemaakt was zonder het ongebluste kalk herstelde niet.

De onderzoekers zijn deze ontdekking nu aan het uitwerken tot een commercieel verkrijgbaar, zelfherstellend beton. Dat zou langer meegaan en daarom duurzamer zijn dan het huidige bouwmateriaal.